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加速器非核应用（二）

2020.10.06

放射疗法的一个重要发展，是从多个方向将束流或射线照射肿瘤，这样，肿瘤剂量与健康组织剂量的比例就可以大大提高，在一定程度上弥补了非理想的剂量分布。γ刀、X刀就属于这个范畴。从剂量分布的角度看，手术开腹时作一次性大剂量照射，杀死手术残余的靠近重要器官的瘤细胞，可能会对疗效有所改进。放疗的另一发展途径是将含有对人体某器官有亲附性的元素的化学药品注入人体，然后使粒子束或射线与之作用。例如：利用脑组织对硼的吸收和硼对热中子的吸收的“硼中子俘获疗法”，可以用质子加速器的p-Li或p-Be反应提供中子；另一种是“光子激活疗法”。利用同步辐射加速器产生的X射线，激活注入体内的药物，在特定的部位发生作用。这时要求X射线能量与药物的吸收谱线相近，故有足够强度的准单能X射线的产生成为重要的环节。

2．诊断应用

自从放射性同位素广泛用于医学诊断（治疗）以来，回旋加速器就成为主要的生产工具。目前世界上约有60台能量为30Mev左右、流强为300微安左右的回旋加速器从事缺中子同位素生产。与研究使用的加速器不同，它们必须是紧凑、小型而且运行方便，可靠性高，以便在医院现场生产短寿命的同位素，如铊-201、碘-123等。

回旋加速器应用的另一重要方面是在正电子断层显像装置（PET）中，正电子发射断层显像，是采用发射正电子的短寿命核素标记的药物的方法。从体外动态地观测人体吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平的生理、生化过程。它既是早期诊断某些疾病的工具，又是研究人脑认知活动的独特手段，目前世界上此项装置已有100余台，它包括回旋加速器或其它能生产发射正电子同位素的加速器、放射性药物合成、分析系统以及正电子照相机。

（二）科研应用

1．同步辐射装置

当高能量的电子在加速器中受磁场偏转而沿弧线运动时，将产生高亮度的广谱电磁辐射。这种电子强烈的发光现象于1947年首先在美国通用电器公司的一台同步加速器中被发现，因而名为同步辐射。同步辐射最初是被看成限制圆形电子加速器提高能量的障碍，后来逐渐认识到它在物理、化学、生物、地质、天文等学科的研究工作中具有广泛的应用，由此在世界范围内得到极大的发展，由寄生于高能物理实验发展到专用装置，又由一般专用装置发展到以插入元件为主的高亮度装置，迄今已经经历了三代。目前建成的和正在建造中的第三代同步辐射装置已有15台，下面将要谈到的自由电子激光为特征的第四代光源，也是遥遥在望了。我国有与北京正负电子对撞机兼用的第一代装置，合肥的第二代装置和台湾的第三代装置，目前正在考虑在上海建造一台性能更为优异的第三代设备供科技界进行前沿研究之用。

同步辐射装置无疑是加速器的重要应用之一，因为大家对它比较熟悉，这里就不拟多谈了。只想提一提一个极有发展前景的例子：即使用同步辐射进行的微加工。它可以制造微型的电机、齿轮、传感器、执行器、手术器械等，尺寸大小约为几十到几百微米，汽车安全气垫的加速度传感器、光纤开关、微透膜等都已经初步研制成功。将来很可能发展为一个重要的高技术产业。

同步辐射在科研领域的应用是多方面的，既有上述与实际生产有关的应用，也有基础研究的应用。2003年诺贝尔化学奖得主的工作，就是使用同步辐射的结果。

2．自由电子激光装置

自由电子激光是加速器产生的高能电子在极性交替变化的磁场中做扭摆运动而产生的电磁辐射。它虽名为激光，但与常规的基于电子在原子、分子中能级跃迁而产生激光的工作原理完全不同，只是由于两者产生的都是相干辐射，因而使用了“激光”这个名称。

自由电子激光的工作物质是高能子束，它携带巨大的能量，故具有产生极强的光辐射的潜力，而且波长连续可调，光束质量优异。1977年自由电子激光振荡器发明之后，曾被美国纳入“战略防御计划”（俗称“星球大战”），耗资10余亿美元，希望能达到破坏对方战略导弹的目的；后来由于政治格局的变化和研制过程中遇到的巨大的技术困难，此计划以失败而中断。不过，自由电子激光的非军事应用，却在长波长和短波长两个方向继续发展，如大功率自由电子激光在化纤或其他化学工业方面的应用，美国连续电子束加速器实验室（CEBAF）和俄罗斯新西伯利亚核物理研究所都在兴建装置。使用高能电子直线加速器产生高亮度、短脉冲的X－光自由电子激光，因光源亮度可高出现有光源10个数量级，称为第四代光源。在美、德、日等国都在大力研究，势将对科技发展起重要的推动作用。

加速器的高能质子打靶，经散裂反应可产生高强度的中子流，适用于较轻原子组成的物质的结构研究，这种散裂中子源与同步辐射光源在多种学科的应用是互补的。它们都是在原子层次上，研究、改善材料性能的有力工具。

（三）工业应用

加速器用于工业生产，以低能加速器和离子源为主，包括辐射加工、无损探伤、离子掺杂等方面。

辐射加工是通过加速器产生的电子束对高分子材料照射导致聚合物交联，从而改善性能。电缆经过辐照，可以大大提高耐温，辐照后的热缩薄膜或管材，有加热后恢复原形的“记忆”，都有十分广泛的应用，我国已经形成了年产值达10亿元的产业。辐射还可缩短喷漆、彩印的固化时间，减少了贮存待干的厂房面积。药品、手术器械和食品的消毒、灭菌、保鲜是辐照应用的另一些方面。

使用电子加速器产生γ射线，用于大型机械锻、铸件中的无损探伤，已有几十年的历史。近年一个有意义的发展是将加速器与核物理探测技术相结合，对集装箱进行不必开箱的透视检查。此装置已由清华大学研制成功，它对进出口贸易频繁的经济发达国家的海关，显然是一个必要的设施（图5）。

使用离子源产生的不同能量和脉宽的各种离子束注入到基金属中渗杂、改性或者制造新材料，已经得到了应用。使用回旋加速器将金属或陶瓷等机械零件的表面薄层活化，再根据放射性产生的γ射线，测量其磨损情况，这是检验各种耐磨措施（如用离子注入提高硬度）的有效方法。

传统的中子探伤是使用反应堆进行的，如涡轮叶片、核燃料、爆炸物等的探测。近年发展起来的一种小型RFQ加速器，可把质子或氘加速到几个MeV，用以轰击铍靶，就可制成可移动式的强中子源。电子束焊接一般需在真空中进行，如果采用1MeV左右的小型电子加速器进行深层焊接，就不需要将被焊物体放在真空室内，而可以大大加快操作的速度。

（四）能源应用

1．裂变反应堆

利用裂变反应发电（核电站）已是一些国家的主要发电设施，也是解决人类未来能源的一个重要途径。目前世界已有1/5的电能来自核电，我国大陆也有秦山和大亚湾两座核电站在运行中。

不过，核电也存在一些问题，最主要的就是核废料的处理。长寿命的高放废料半衰期有的长达亿年，如何处理就构成一个棘手的问题。目前的办法是首先加工使之浓化、固化，然后找一个安全的地方贮存、深埋。这是十分困难而且耗资巨大的措施。另一方面，现在的核电站多以²³⁵U为燃料，它只占天然铀资源的0.7％，长期燃料资源的考虑要求使用快增殖堆将含量较丰的²³⁸U（或²³²Th）加以利用。

针对以上核电的问题，日本、前苏联和美国很早就提出了使用加速器驱动嬗变技术（ADTT）的方案，它可将高放长寿命废料转化为短半衰期或根本无放射性的废料。这些方案的主要思路是利用强流质子直线加速器（约1GeV能量，100ma流强）的质子束轰击周围有裂变的物质的液态铅靶，产生的中子经慢化、倍增后，与经过适当处理的循环流动的核燃料及裂变产物相作用。图6是这个方案的示意图。

ADTT方案可用钍发电，同时燃烧核废料，若设计为次临界状态，则因加速器可以瞬时停止，故整个装置比较安全可靠。它发出的电能约有20%供加速器运行，而其余的80%则可并入电网使用。

当然，它也有它的问题：首先是强流加速器的技术困难，它的束流损失必须极小（约为每米纳安的量级），不然会将加速器高度活化；可靠性必须很大；再则是初始投资十分庞大。不过随着科技的进步，技术问题可以克服，投资要求也会下降，这种干净、安全的电站是迟早会出现的。

2．聚变反应堆

核聚变反应可以释放能量一事，约在80年前就被科学家发现了。例如氢的同位素氘氚聚变，就可产生氦核和中子，同时放出17.6MeV的能量，而氚又可由氘产生。氘在海水中有丰富的蕴量，作为聚变能源的燃料，估计可供10⁹年之用。聚变反应堆的放射性较裂变堆为低，安全性高，可以说是取之不尽、用之不竭的理想能源。

建造聚变反应堆发电目前正在沿着两条可能的技术路线发展：一是磁约束，一是惯性约束。哪个更为易于实现，目前尚无定论，但两者都与加速器有关。

对磁约束装置而言，托卡马克型的闭合环形等离子体装置占有重要的位置，它的运行参数已接近建堆的要求，装置中的等离子体需要射频电磁场进行驱动与加热。荷兰已建成使用加速器的自由电子脉泽，作为下一代等离子体聚变装置加热的微波源。另外，为了加热等离子体、驱动电流及填充燃料，基于加速器离子源技术的中性束注入器，也在一个装置中取得圆满的结果。

对惯性约束装置而言，需要使用激光或离子束将热核燃料压缩到极高密度并加热点燃。目前激光驱动最为常用，一般使用钕玻璃激光器。但到正式建堆时，需要考虑能量效率，而钕玻璃激光器的效率是偏低的，因此有的研究所在进行以自由电子激光器代替钕玻璃激光器的探讨。

使用加速器产生的离子束轰击靶球的惯性约束聚变装置有它独特的优势，就是效率高，重复频率高，并可长时间使用。诺贝尔奖获得者鲁比亚曾提出了一个使用重离子加速器和自由电子激光结合的系统方案。

不论最后聚变反应堆发电采用哪种方案，当前有一个共同的亟待解决的问题就是能耐强烈中子轰击的建堆材料的研究。目前国际上正在考虑建造作为强中子源的聚变堆材料试验加速器，来检验各种材料的性能。

（五）国防应用

1．闪光照像

使用能量为几十兆电子伏、流强为几个千安、脉宽为几十纳秒的感应电子直线加速器的聚焦电子束产生极强的X光，可进行核武器内爆系统的流体动力学及有关的瞬态过程的试验，美国已建造三代这样的装置，即PHERMEX，FXR及DARHT。

2．电子学加固和辐射剂量校准

电子直线加速器产生的束流打靶产生的γ射线，可模拟核爆的辐射，用以研究电子学器件的辐射加固或剂量仪器的校准。

3．无损探伤

为了检查导弹内部，特别是使用固体燃料时燃料位置的缝隙，已经研制成装在汽车上的电子直线加速器，以便在现场进行探测。

4．核实验模拟

核武器改进和检查，除地下核试外，可在实验室建立惯性聚变反应研究装置，产生微型热核爆炸，在参考实际核试验测得的数据，就可以相当可靠地模拟核爆过程，改进性能，了解状态。

（六）环保应用

前苏联新西伯利亚核物理研究所曾生产过大约120台电子加速器供国内外应用，其中包括下水道废水处理和电厂排烟的净化应用。在当前人类面临严重缺水的情况下，将废水处理后合理使用，显然是应该认真考虑的措施。燃煤电厂的废气中含有SO₂，NO_x，HCl，HF等，造成严重污染，在日本、美国、德国、波兰、俄罗斯都在研究使用加速器的电子束进行处理，试验结果表明在多种处理技术方案中，电子束法是很有竞争力的。我国成都电厂考虑兴建一个规模居世界之首的电子束废烟处理工程。

使用脉冲电子束处理化工废料中的毒性，也在试验研究之中，原理是通过射解形成自由基，而自由基对拆裂化学键是十分有效的。

（七）加速器应用产生的经济效益

讨论加速器应用产生的经济效益，是一个复杂的问题，因为有些社会效益是不能以数字度量的，有些是间接的，即便是直接效益，由于牵扯方面很广，也难以确切地统计。不过有一点是肯定的，就是加速器的非核应用，已给社会带来了十分巨大的经济效益。

就上面提到的6个方面应用而言，国防应用对一个国家的安全至关重要，但经济效益却难以度量。同样，关于医疗应用，人的生命是无价的，又怎样用经济效益来表达呢？国外曾有人根据放疗患者平均工作寿命的延长，再参考其增加的产值来估算放疗的经济效益，这个数字是十分惊人的，但也只能供参考而已。

加速器的科研应用（包括核与非核）产生了新的学科分支（如同步辐射、自由电子激光等）和带动各种科技的发展，其结果当然是伴随着巨大的经济效益。世界上功率最大的速调管、规模最大的超导致冷系统、体积最大的超高真空系统、能产生最高磁场的超导体等等，都是因研制加速器而出现的。仅以超导体而言，目前世界产值已达35亿美元之巨。

西欧核子中心曾对160家承担高能加速及实验设施的高技术工厂（包括电子、电器、真空、焊接、精密机械、光学仪器、计算机等）进行过调查，把由于承担任务而导致的营业额的增加和成本的减少与合同金额的比数称为效益，统计结果表明平均效益为4.2，这也许可以作为间接效益的举例吧。

直接的经济效益，应该表示扣除成本后同一产品应用加速器技术之后与应用之前的产值的差异，譬如一种规格的电缆辐照改性前后价格是不同的，机械工具硬化处理前后价值也是不同的。这些方面的数据，仍有待于收集和整理。

五、结语

从上面远非全面的介绍，可以看出加速器在非核领域有广阔的应用，而且许多应用还在发展之中，有些则已经形成相当规模的产业。就医疗应用而言，世界上医用电子直线加速器现有2000～3000台；生产同位素和正电子发射断层显像的回旋加速器约有200台，制造这些加速器的工厂、大学、研究所仅在国内就有近10个。如果没有经济效益的话，这种情况是不会出现的。中科院高能物理研究所由于研制北京正负电子对撞机（BEPC）建立的设备与取得的经验，而能向世界几个国家出口加速管、磁铁、微波部件、直线加速器等，取得了可观的经济效益。可以预言，随着非核领域加速器的进一步应用，它必将为人民保健、国家安全、科技进步、工业生产做出更大的贡献，有力地推动国民经济的发展。

谢家麟加速器物理与技术专家。1920年8月8日生于哈尔滨。1943年毕业于燕京大学物理系，1947年考取赴美留学，1948年获加省理工学院硕士学位，1951年获斯坦福大学博士学位。中科院高能物理研究所研究员。主要从事加速器研制。曾任高能所副所长，北京正负电子对撞机工程经理等职。取得的主要成果有：在美领导研制成功当时世界能量最高的医用电子直线加速器、我国最早的可向高能发展的电子直线加速器、北京正负电子对撞机、北京自由电子激光等等。曾获国家科技进步奖特等奖、二等奖、中科院科技进步奖特等奖、何梁何利科技进步奖、胡刚复实验物理奖等。

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周锦帆