粒子加速器应用

粒子(lìzǐ)加速器应用第1页共十五页辐射加工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。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(fāngmiàn)。特点

①辐照过程不受温度影响，可以在低温下或室温下进行，因此辐照对象可以是气态、液态或固态；②γ射线或能量高的电子束穿透力强，可均匀深入到物体内部，因此可以在已包装或封装的情况下进行加工处理；③容易控制，适于连续操作；④不必加其他化学试剂和催化剂，保证产品纯度；⑤反应速率快，形成高效生产线。第2页工业(gōngyè)共十五页显像管显像管有玻璃密封外壳，内部抽成真空。由一端的电子枪产生的电子束（强度受影像讯号控制）经过聚焦线圈聚焦后在高压电极的作用下加速向前运动。与此同时，电子束在偏转电极的作用下，自上而下(zìshànɡérxià)作水平方向的扫描。这样，在显像管另一端的荧光屏上就形成了明暗程度不同的亮点。第3页工业(gōngyè)共十五页射线探伤作为五大常规无损检测方法之一的射线探伤，使用电子加速器产生γ射线、x射线，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测对象内部可能产生的缺陷，如气孔、针孔、夹杂、疏松、裂纹、偏析、未焊透和熔合不足等，在工业上有着(yǒuzhe)非常广泛的应用。第4页工业(gōngyè)共十五页离子掺杂将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的工艺。在半导体中注入相应(xiāngyīng)的杂质原子（如在硅中注入硼、磷或砷等），可改变其表面电导率或形成PN结。特点

①精确控制掺杂的深度和浓度。

②离子注入的杂质分布准直性好③离子注入可实现大面积均匀掺杂并有高的浓度。④离子注入不受化学结合力、扩散系数和固溶度等的限制，能在任意所需的温度下进行掺杂。

⑤离子注入可达到高纯度掺杂的要求，避免有害物质进入半导体材料，因而可以提高半导体器件的性能。第5页工业(gōngyè)共十五页放射治疗——肿瘤治疗手段粒子加速器为放射治疗提供了所必需的x射线、电子流（β射线）、质子束、α粒子束（α射线）及其他粒子束等。治疗优点①目前对健康组织损伤最低的辐射疗法；②高治愈率，不存留肿瘤核；③极少的剂量，无明显副作用；④治疗无痛苦感，辐照时间外可正常活动；⑤束流斑点发散小适合(shìhé)高精度治疗；⑥三维适形点扫描、实时监控；⑦治疗周期短，疗程4—20次。第6页医疗(yīliáo)共十五页PET——疾病的诊断利用反应堆的中子流和加速器的高能带电粒子流，可以制备的放射性核素。而在正电子断层显像装置（PET）中

，正电子发射断层显像，是利用发射正电子的短寿命核素标记生命代谢所必须的物质生物的方法。从体外动态地观测人体吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平(shuǐpíng)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。诊断优点

（1）灵敏度高。

（2）特异性高。

（3）全身显像。

（4）安全性好。第7页医疗(yīliáo)小细胞肺癌共十五页辐射育种

目前(mùqián)太空育种中种子的诱变是宇宙射线和太空特殊环境的综合结果，具有被动性、不可控、成本高等缺点。因此，利用加速器产生高能的质子、α射线等成为了未来农业育种的趋势。

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。第8页农业(nóngyè)共十五页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(jìshù)。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。辐照杀虫、灭菌在农产品、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。第9页农业(nóngyè)共十五页同步辐射同步辐射光具有频谱宽且连续(liánxù)可调（具有从远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱）、亮度高（第三代同步辐射光源的X射线亮度是X光机的上亿倍）、高准直度、高偏振性、高纯净性、窄脉冲、精确度高以及高稳定性、高通量、微束径、准相干等独特的性能。同步辐射X射线衍射和X射线光谱学来测定物质结构,研究宏观量子现象和复杂体系物理,在生物学和医学方面用于研究生物大分子结构及其与功能的关系,在工业上可用以生成更具活性的蛋白质如酶,发展以结构为基础的制药技术。利用同步辐射光的高耀度和时间结构,可用于研究急剧变化中的材料特性和相变,这对于改进化工和冶金的工艺有重要价值。同步辐射也将推动微电子机械新产业的发展。我国正在筹建以高性能、宽波段、高效性、短脉冲和长寿命为特点的上海同步辐射装置。第10页新型(xīnxíng)图为设计有30个光引出口的英国DIAMOND同步辐射光源共十五页散裂源中子束当一个中等能量的质子打到重核（钨、汞等元素）之后会导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核“裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源。

强流脉冲束质子加速器可用作散裂中子源形成散裂源中子束。与X射线相比,用中子作为“探针”具有能精确测定较轻原子特别是氢原子的位置、能区分元素周期表上的近邻原子和同位素、能直接测定原子的磁结构以及具有很强的穿透力等特点。与反应堆产生的中子相比,散裂源中子束具有脉冲性、高分辨、低本底和能量范围大等优点。是生命科学、材料科学和核物理研究的有效手段,在国防建设、新型核能开发以及同位素开发、核医学和中子照相等方面的有重要的应用价值。在这些研究和应用领域,散裂中子源是与同步辐射装置互相补充的、不可取代的装置。正因为如此,美国、欧洲、日本等国都在大力发展高通量的一代散裂中子源,我国科学家也正在积极(jījí)研究建造一台中等规模的散裂中子源的可行性。

第11页新型(xīnxíng)共十五页自由电子激光器(FFL)

近20年内发展起来的一种将加速器产生的电子束能量逆转为激光的装置。与原子、分子中的束缚态电子的轨道跃迁为机制的普通激光器不同,FEL的“工作物质”是自由的电子,因而具有高功率、高效率和宽频率调谐范围等一系列优点,成为各国竞相发展的技术。目前(mùqián)世界上已有数十个大型装置已在运用。

用于FEL的加速器可以是电子储存环或电子直线加速器。高能加速器对应的通常是紫外以上频段的FEL。电子直线加速器能提供低于激光波长的发射度的GeV级电子束,因而在X特别是硬X波段比电子储存环更具优势,FEL在激光光谱学、光通信、光雷达、光化学、超导技术、激光加工、激光医学个激光驱动核聚变等方面有着广泛的应用前景。第12页新型(xīnxíng)共十五页如果没有新的更有效的加速粒子的原理,人类向更高能区和更深层次挺进的步代将不得不停缓下来。科学家为探索新的、更有效的加速器原理不懈努力,提出了许多方案,并开展实验研究。这些方案就其能量来源可分为两大类。第一类是把光子的能量传递给被加速粒子。属于这一类的有各种激光加速器,如逆契伦柯夫效应加速器、逆自由电子激光加速器、等离子体拍波加速器和光栅加速器等。作为一种短波长的相干电磁波,激光具有能量密度高、聚焦性能好等优点,电场强度可达105～109MV/m,需要解决的问题仍然是如何在粒子运动方向上获得高电场分量并使之与速度低于光速的粒子同步。第二类是将驱动束粒子的能量传递给被加速粒子,这一类又包括两种。一种是利用高速运动的等离子体凝团或强流相对论性电子束提供的集体场加速带电粒子,有相干加速器、电子圈加速器和线型束加速器等。另一种是采用谐振腔、等离子体或其它设备为介质,让低能强流束通过介质激起电磁场来加速粒子。属于这一种的有尾场加速器、等离子体尾场加速器和双束加速器等。尽管上述新原理在一些实验装置上得以验证,但加速梯度远未达到人们期待的1GeV/m量级。总的来说,各种新加速原理目前尚处于小规模实验阶段,在理论上有待继续深入,在实验上还有许多困难,离开实际(shíjì)应用还很遥远。但人们仍然相信,只要不懈努力,新的加速原理终会成功,开辟粒子加速器的新时代。第13页应用(yìngyòng)前景共十五页在新技术方面,超导技术已在加速器中广泛应用,超导磁铁已用在TEVATRON和HERA等对撞机上,场强达到5T,并在工业的批量生产中证明其性能。超导腔先后在TRIS2TAN,LEP,HERA,CEBAF,CESR和KEKB等加速器上使用,加速梯度达到5MV/m以上。线型对撞机中高梯度低高次模阻尼加速结构、微波高功率源、强流小发射电子枪和亚纳米束团截面和位置快速测量等技术都在发展。随着高能加速器的发展,与其相关的高频微波技术、磁铁技术、电源技术、真空技术、束流测量技术、控制技术等等,都在迅速向高、新、精发展。粒子加速器,不仅是过去,而且是现在和将来都是其所在时代高科技的结晶。在21世纪,粒子加速器将继续向高能量前沿和高亮度前沿推进,不断开拓应用领域,探索新原理,发展新技术。加速器在高能物理、核物理的研究和在诸多学科和国民经济各个部门的应用等方面,都有着十分广阔(guǎngkuò)的前途