第四节第四节 加速器的应用加速器的应用 加速器作为粒子源有一系列的优点，所产生的粒子种类繁多，粒子束能量精确可调，因此加速器在科技，生产和国防建设领域中的应用极为广泛：一、在探索和变革原子核和基本粒子方面的应用几十年来，人们利用加速器合成了绝大部分超铀元素和上千种人工放射性核素，并系统地研究了原子核的性质、内部结构以及原子核之间的相互作用过程。随着加速器能量的提高，陆续发现了一百多种“基本”粒子，产生了夸克模型，以及电磁相互作用和弱相互作用相统一的理论，建立起粒子物理这样一门新学科。二、在原子，分子物理，固体物理等科研方面的应用1.利用加速器产生的电子，离子和光子束研究粒子与原子，分子碰撞的物理过程以及所产生的一系列新的状态，新的同位素原子，有利于研究传统原子，分子物理学所无法研究的许多问题。如：2014年兰州重离子加速器利用198MeV的40Ca束流，轰击169Tm（铥）同位素靶得到缺中子核素205Ac，并首次测量到该核素的衰变能量和半衰期。最缺中子的同位素206Ac是1998年发现的。2.加速器出现的快速粒子是研究固体和表面微观结构、杂质分布、固体内部结构磁场，缺陷，损伤等方面的有效手段。同步辐射光可以把固体内部和表面照亮得很清晰。要三、元素分析利用单级和串列加速器等产生的低能离子束广泛地用来进行各种样品的元素分析，主要的技术有：1.核反应分析2.背散射分析3.弹性反冲探测分析4.质子激发X荧光分析5.活化分析等四、在核能开发方面的应用核反应堆，核燃料生产和核武器设计制造方面都需要加速器提供有关的核反应，核裂变和中子运动的各种核参数。用加速器粒子模拟反应堆中核辐射材料的辐射损伤，研究材料的加固措施，加速器产生的强中子流还可以分别使U238和Th232转化为Pu239和U233等核燃料。五、在医疗方面的应用随着科学技术的进步，人民生活和质量的提高，人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。目前，加速器在医疗卫生方面的应用主要有三个方面，即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。1)放射治疗用于恶性肿瘤放射治疗（简称放疗）的医用加速器是当今世界范围内，在加速器的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。用于放疗的加速器由50年代的感应加速器，到60年代发展了医用电子回旋加速器，进入70年代医用电子直线加速器逐步占据了主导地位。除了应用加速器产生的电子线、X射线进行放疗外，还可应用加速器进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和介子放疗等，这些治癌方法还处在实验阶段，实验的结果表明，疗效显着。但这些加速器比电子直线加速器能量高得多，结构复杂得多，价格昂贵得多，尚未普及。2)医用同位素生产现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤，现在已确定为临床应用的约80种同位素，其中有2/3是由加速器生产的，尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速器生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面： a、正电子与单光子发射计算机断层扫描PET与SPECTPET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素，通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子，由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速器制备的。最短的半衰期核素如15O仅为123秒，一般为几分钟到1小时左右。PET能为肿瘤病人的临床治疗提供各种准确信息:可使肿瘤的诊断更准确、更全面：最重要的是进行良、恶性的鉴别，确定肿瘤侵犯的部位，转移的范围，肿瘤临床分期、分型及肿瘤生物特性的预测。b、图像获取利用放射性核素进行闪烁扫描或利用照相获取图像的方法，可以诊断肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况，获取动态资料。例如201Tl用于心肌检查，对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是目前最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速器生产的。3)辐照消毒利用加速器对医用器械、一次性医用物品、疫苗、抗生素、中成药的灭菌消毒是加速器在医疗卫生方面应用的一个有广阔前途的方向。与加速器在食品中的杀虫、灭菌道理一样，可取代目前应用的高温消毒、化学消毒等方法。但灭菌需要的射线剂量要大于杀虫所需的剂量。 1)辐照加工应用加速器产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为6070，辐照后长期使用温度可达120以上。目前，我国已有用加速器进行辐照加工的生产线40多条。 六、在工业上的应用2)无损检测无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素Co60产生的射线、X光机产生的低能X射线和电子加速器产生的高能X射线。尤其是探伤加速器的穿透本领和灵敏度高，作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速器以电子直线加速器为主要机型。射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同，又可把射线检测法分为三种：a、射线照相法这种方法与我们体检时拍X光胶片相似，射线接受器是X光胶片。探伤时，将装有X光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用X射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。b、辐射成像法这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。c、工业CT与医用CT原理类似，CT技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速器作为X射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达0.1%，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。 3)离子注入利用加速器将一定能量的离子注入到固体材料的表层，可以获得良好的物理、化学及电学性能。半导体器件、金属材料改性和大规模集成电路生产都应用了离子注入技术。我国现拥有各类离子注入机100多台。其中我国自己累计生产出140多台离子注入机，能量为150KeV600KeV，流强为0.5mA到十几mA。七、在农业、生物学上的应用作为核技术应用装备的加速器在农业上的应用，在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面：1)辐照育种加速器在辐照育种中的应用，主要是利用它产生的高能电子、X射线、快中子或质子照射作物的种子、芽、胚胎或谷物花粉等，改变农作物的遗传特性，使它们沿优化方向发展。通过辐射诱变选育良种，在提高产量、改进品质、缩短生长期、增强抗逆性等方面起了显著作用。马铃薯、小麦、水稻、棉花、大豆等作物经过辐照育种后可具有高产、早熟、矮杆及抗病虫害等优点。2)辐照保鲜辐照保鲜是继热处理、脱水、冷藏、化学加工等传统的保鲜方法之后，发展起来的一种新保鲜技术。例如，对马铃薯、大蒜、洋葱等经过辐照处理，可抑制其发芽，延长贮存期；对干鲜水果、蘑菇、香肠等经过辐照处理，可延长供应期和货架期。3)辐照杀虫、灭菌目前，在农产品、食品等杀虫灭菌普遍使用化学熏蒸法，由于使用溴甲烷、环氧乙烷等化学熏蒸法引起的残留毒性、破坏大气臭氧层等原因，根据蒙特利尔公约，到2005年要在全球范围内禁止使用溴甲烷。因而利用加速器进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速器产生的高能电子或X射线可以杀死农产品、食品中的寄生虫和致病菌，这不仅可减少食品因腐败和虫害造成的损失，而且可提高食品的卫生档次和附加值。