粒子加速器應(yīng)用

粒子(lìzǐ)加速器應(yīng)用第1頁共十五頁輻射加工通過加速器產(chǎn)生的電子束對高分子材料照射導(dǎo)致聚合物交聯(lián)，從而改善性能。電纜經(jīng)過輻照，可以大大提高耐溫，輻照后的熱縮薄膜或管材，有加熱后恢復(fù)原形的“記憶”，都有十分廣泛的應(yīng)用。輻射還可縮短噴漆、彩印的固化時間，減少了貯存待干的廠房面積。藥品、手術(shù)器械和食品的消毒、滅菌、保鮮是輻照應(yīng)用的另一些方面(fāngmiàn)。特點

①輻照過程不受溫度影響，可以在低溫下或室溫下進行，因此輻照對象可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)；②γ射線或能量高的電子束穿透力強，可均勻深入到物體內(nèi)部，因此可以在已包裝或封裝的情況下進行加工處理；③容易控制，適于連續(xù)操作；④不必加其他化學(xué)試劑和催化劑，保證產(chǎn)品純度；⑤反應(yīng)速率快，形成高效生產(chǎn)線。第2頁工業(yè)(gōngyè)共十五頁顯像管顯像管有玻璃密封外殼，內(nèi)部抽成真空。由一端的電子槍產(chǎn)生的電子束（強度受影像訊號控制）經(jīng)過聚焦線圈聚焦后在高壓電極的作用下加速向前運動。與此同時，電子束在偏轉(zhuǎn)電極的作用下，自上而下(zìshànɡérxià)作水平方向的掃描。這樣，在顯像管另一端的熒光屏上就形成了明暗程度不同的亮點。第3頁工業(yè)(gōngyè)共十五頁射線探傷作為五大常規(guī)無損檢測方法之一的射線探傷，使用電子加速器產(chǎn)生γ射線、x射線，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，檢測對象內(nèi)部可能產(chǎn)生的缺陷，如氣孔、針孔、夾雜、疏松、裂紋、偏析、未焊透和熔合不足等，在工業(yè)上有著(yǒuzhe)非常廣泛的應(yīng)用。第4頁工業(yè)(gōngyè)共十五頁離子摻雜將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內(nèi)，以改變表面層物理和化學(xué)性質(zhì)的工藝。在半導(dǎo)體中注入相應(yīng)(xiāngyīng)的雜質(zhì)原子（如在硅中注入硼、磷或砷等），可改變其表面電導(dǎo)率或形成PN結(jié)。特點

①精確控制摻雜的深度和濃度。

②離子注入的雜質(zhì)分布準直性好③離子注入可實現(xiàn)大面積均勻摻雜并有高的濃度。④離子注入不受化學(xué)結(jié)合力、擴散系數(shù)和固溶度等的限制，能在任意所需的溫度下進行摻雜。

⑤離子注入可達到高純度摻雜的要求，避免有害物質(zhì)進入半導(dǎo)體材料，因而可以提高半導(dǎo)體器件的性能。第5頁工業(yè)(gōngyè)共十五頁放射治療——腫瘤治療手段粒子加速器為放射治療提供了所必需的x射線、電子流（β射線）、質(zhì)子束、α粒子束（α射線）及其他粒子束等。治療優(yōu)點①目前對健康組織損傷最低的輻射療法；②高治愈率，不存留腫瘤核；③極少的劑量，無明顯副作用；④治療無痛苦感，輻照時間外可正?；顒?；⑤束流斑點發(fā)散小適合(shìhé)高精度治療；⑥三維適形點掃描、實時監(jiān)控；⑦治療周期短，療程4—20次。第6頁醫(yī)療(yīliáo)共十五頁PET——疾病的診斷利用反應(yīng)堆的中子流和加速器的高能帶電粒子流，可以制備的放射性核素。而在正電子斷層顯像裝置（PET）中

，正電子發(fā)射斷層顯像，是利用發(fā)射正電子的短壽命核素標記生命代謝所必須的物質(zhì)生物的方法。從體外動態(tài)地觀測人體吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平(shuǐpíng)的生理、生化過程。它既是早期診斷某些疾病的工具，又是研究人腦認知活動的獨特手段。診斷優(yōu)點

（1）靈敏度高。

（2）特異性高。

（3）全身顯像。

（4）安全性好。第7頁醫(yī)療(yīliáo)小細胞肺癌共十五頁輻射育種

目前(mùqián)太空育種中種子的誘變是宇宙射線和太空特殊環(huán)境的綜合結(jié)果，具有被動性、不可控、成本高等缺點。因此，利用加速器產(chǎn)生高能的質(zhì)子、α射線等成為了未來農(nóng)業(yè)育種的趨勢。

加速器在輻照育種中的應(yīng)用，主要是利用它產(chǎn)生的高能電子、X射線、快中子或質(zhì)子照射作物的種子、芽、胚胎或谷物花粉等，改變農(nóng)作物的遺傳特性，使它們沿優(yōu)化方向發(fā)展。通過輻射誘變選育良種，在提高產(chǎn)量、改進品質(zhì)、縮短生長期、增強抗逆性等方面起了顯著作用。馬鈴薯、小麥、水稻、棉花、大豆等作物經(jīng)過輻照育種后可具有高產(chǎn)、早熟、矮桿及抗病蟲害等優(yōu)點。第8頁農(nóng)業(yè)(nóngyè)共十五頁輻照保鮮輻照保鮮是繼熱處理、脫水、冷藏、化學(xué)加工等傳統(tǒng)的保鮮方法之后，發(fā)展起來的一種新保鮮技術(shù)(jìshù)。例如，對馬鈴薯、大蒜、洋蔥等經(jīng)過輻照處理，可抑制其發(fā)芽，延長貯存期；對干鮮水果、蘑菇、香腸等經(jīng)過輻照處理，可延長供應(yīng)期和貨架期。輻照殺蟲、滅菌在農(nóng)產(chǎn)品、食品等殺蟲滅菌普遍使用化學(xué)熏蒸法，由于使用溴甲烷、環(huán)氧乙烷等化學(xué)熏蒸法引起的殘留毒性、破壞大氣臭氧層等原因，根據(jù)蒙特利爾公約，到2005年要在全球范圍內(nèi)禁止使用溴甲烷。因而利用加速器進行農(nóng)產(chǎn)品、食品等輻照殺蟲、滅菌得以迅速發(fā)展。利用加速器產(chǎn)生的高能電子或X射線可以殺死農(nóng)產(chǎn)品、食品中的寄生蟲和致病菌，這不僅可減少食品因腐敗和蟲害造成的損失，而且可提高食品的衛(wèi)生檔次和附加值。第9頁農(nóng)業(yè)(nóngyè)共十五頁同步輻射同步輻射光具有頻譜寬且連續(xù)(liánxù)可調(diào)（具有從遠紅外、可見光、紫外直到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜）、亮度高（第三代同步輻射光源的X射線亮度是X光機的上億倍）、高準直度、高偏振性、高純凈性、窄脈沖、精確度高以及高穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準相干等獨特的性能。同步輻射X射線衍射和X射線光譜學(xué)來測定物質(zhì)結(jié)構(gòu),研究宏觀量子現(xiàn)象和復(fù)雜體系物理,在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面用于研究生物大分子結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系,在工業(yè)上可用以生成更具活性的蛋白質(zhì)如酶,發(fā)展以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的制藥技術(shù)。利用同步輻射光的高耀度和時間結(jié)構(gòu),可用于研究急劇變化中的材料特性和相變,這對于改進化工和冶金的工藝有重要價值。同步輻射也將推動微電子機械新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國正在籌建以高性能、寬波段、高效性、短脈沖和長壽命為特點的上海同步輻射裝置。第10頁新型(xīnxíng)圖為設(shè)計有30個光引出口的英國DIAMOND同步輻射光源共十五頁散裂源中子束當(dāng)一個中等能量的質(zhì)子打到重核（鎢、汞等元素）之后會導(dǎo)致重核的不穩(wěn)定而“蒸發(fā)”出20-30個中子，這樣重核“裂開”并向各個方向“發(fā)散”出相當(dāng)多的中子，大大提高了中子的產(chǎn)生效率，按這種原理工作的裝置稱為散裂中子源。

強流脈沖束質(zhì)子加速器可用作散裂中子源形成散裂源中子束。與X射線相比,用中子作為“探針”具有能精確測定較輕原子特別是氫原子的位置、能區(qū)分元素周期表上的近鄰原子和同位素、能直接測定原子的磁結(jié)構(gòu)以及具有很強的穿透力等特點。與反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子相比,散裂源中子束具有脈沖性、高分辨、低本底和能量范圍大等優(yōu)點。是生命科學(xué)、材料科學(xué)和核物理研究的有效手段,在國防建設(shè)、新型核能開發(fā)以及同位素開發(fā)、核醫(yī)學(xué)和中子照相等方面的有重要的應(yīng)用價值。在這些研究和應(yīng)用領(lǐng)域,散裂中子源是與同步輻射裝置互相補充的、不可取代的裝置。正因為如此,美國、歐洲、日本等國都在大力發(fā)展高通量的一代散裂中子源,我國科學(xué)家也正在積極(jījí)研究建造一臺中等規(guī)模的散裂中子源的可行性。

第11頁新型(xīnxíng)共十五頁自由電子激光器(FFL)

近20年內(nèi)發(fā)展起來的一種將加速器產(chǎn)生的電子束能量逆轉(zhuǎn)為激光的裝置。與原子、分子中的束縛態(tài)電子的軌道躍遷為機制的普通激光器不同,FEL的“工作物質(zhì)”是自由的電子,因而具有高功率、高效率和寬頻率調(diào)諧范圍等一系列優(yōu)點,成為各國競相發(fā)展的技術(shù)。目前(mùqián)世界上已有數(shù)十個大型裝置已在運用。

用于FEL的加速器可以是電子儲存環(huán)或電子直線加速器。高能加速器對應(yīng)的通常是紫外以上頻段的FEL。電子直線加速器能提供低于激光波長的發(fā)射度的GeV級電子束,因而在X特別是硬X波段比電子儲存環(huán)更具優(yōu)勢,FEL在激光光譜學(xué)、光通信、光雷達、光化學(xué)、超導(dǎo)技術(shù)、激光加工、激光醫(yī)學(xué)個激光驅(qū)動核聚變等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。第12頁新型(xīnxíng)共十五頁如果沒有新的更有效的加速粒子的原理,人類向更高能區(qū)和更深層次挺進的步代將不得不停緩下來。科學(xué)家為探索新的、更有效的加速器原理不懈努力,提出了許多方案,并開展實驗研究。這些方案就其能量來源可分為兩大類。第一類是把光子的能量傳遞給被加速粒子。屬于這一類的有各種激光加速器,如逆契倫柯夫效應(yīng)加速器、逆自由電子激光加速器、等離子體拍波加速器和光柵加速器等。作為一種短波長的相干電磁波,激光具有能量密度高、聚焦性能好等優(yōu)點,電場強度可達105～109MV/m,需要解決的問題仍然是如何在粒子運動方向上獲得高電場分量并使之與速度低于光速的粒子同步。第二類是將驅(qū)動束粒子的能量傳遞給被加速粒子,這一類又包括兩種。一種是利用高速運動的等離子體凝團或強流相對論性電子束提供的集體場加速帶電粒子,有相干加速器、電子圈加速器和線型束加速器等。另一種是采用諧振腔、等離子體或其它設(shè)備為介質(zhì),讓低能強流束通過介質(zhì)激起電磁場來加速粒子。屬于這一種的有尾場加速器、等離子體尾場加速器和雙束加速器等。盡管上述新原理在一些實驗裝置上得以驗證,但加速梯度遠未達到人們期待的1GeV/m量級?？偟膩碚f,各種新加速原理目前尚處于小規(guī)模實驗階段,在理論上有待繼續(xù)深入,在實驗上還有許多困難,離開實際(shíjì)應(yīng)用還很遙遠。但人們?nèi)匀幌嘈?只要不懈努力,新的加速原理終會成功,開辟粒子加速器的新時代。第13頁應(yīng)用(yìngyòng)前景共十五頁在新技術(shù)方面,超導(dǎo)技術(shù)已在加速器中廣泛應(yīng)用,超導(dǎo)磁鐵已用在TEVATRON和HERA等對撞機上,場強達到5T,并在工業(yè)的批量生產(chǎn)中證明其性能。超導(dǎo)腔先后在TRIS2TAN,LEP,HERA,CEBAF,CESR和KEKB等加速器上使用,加速梯度達到5MV/m以上。線型對撞機中高梯度低高次模阻尼加速結(jié)構(gòu)、微波高功率源、強流小發(fā)射電子槍和亞納米束團截面和位置快速測量等技術(shù)都在發(fā)展。隨著高能加速器的發(fā)展,與其相關(guān)的高頻微波技術(shù)、磁鐵技術(shù)、電源技術(shù)、真空技術(shù)、束流測量技術(shù)、控制技術(shù)等等,都在迅速向高、新、精發(fā)展。粒子加速器,不僅是過去,而且是現(xiàn)在和將來都是其所在時代高科技的結(jié)晶。在21世紀,粒子加速器將繼續(xù)向高能量前沿和高亮度前沿推進,不斷開拓應(yīng)用領(lǐng)域,探索新原理,發(fā)展新技術(shù)。加速器在高能物理、核物理的研究和在諸多學(xué)科和國民經(jīng)濟各個部門的應(yīng)用等方面,都有著十分廣闊(guǎngkuò)的前途