加速器非核應用（一）

一、引言

帶電粒子加速器（以下簡稱加速器），是研究核物理、高能物理，認識微觀世界的一個主要手段，隨著60余年加速器物理和技術的發展，它衍生出許多不屬于核物理、高能物理研究的非核應用，與國民經濟發生了密切的聯系。目前世界共有約15000臺加速器，其中約1/3用于醫療領域，1/3用于工業領　域。本報告的目的就是試圖簡單地就此加以介紹。

核物理、高能物理都屬于基礎研究的范疇，表面看來，無關當前的國計民生。實際上基礎研究的結果直接奠定了人類今天的文明、文化和高生活質量的基礎。以物理方面的基礎研究而言，沒有本世紀初倫琴對X光的發現，就不會有現今診斷疾病的不可或少的手段——X光透視；沒有托姆遜對氣體導電的研究，赫茲對電磁波的實驗，和普朗克量子論與愛因斯坦相對論等等理論的提出，就不會有今天與人類生活息息相關的無線電、電視、雷達、激光、半導體、計算機等等；沒有核物理領域的基本研究，就不可能出現原子能、同位素等等。事實上，在早年科學大師們刻苦耕耘的基礎上，人類至今仍在不斷地通過研究與發展，采擷其結果，開拓其應用，享受其效益。至于作為高能物理、核物理基礎研究的手段——加速器，與國民經濟的發展又有什么聯系呢？這就是本報告將要討論的問題。下面我們首先介紹加速器及其發展概況，然后闡述它的一些主要應用，以便說明它與國民經濟的聯系。

二、加速器——人類認識微觀世界的主要手段

自古以來，人類就試圖了解自身以外的客體事物的本質，所用手段，不外是手足、耳目所及。后來，由于科技的發展，在大的尺度方面，有了望遠鏡、天文望遠鏡、射電望遠鏡等，使人類可以觀測到約10²⁶米的宇宙空間（約100億光年的距離），可以探索宇宙形成的初期的遺跡；在小的尺度方面，通過光學顯微鏡、電子顯微鏡、隧道掃描顯微鏡，可以觀測到從微米到納米的范圍。但更小尺度的物體就只能用另外的間接的手段來觀測了，這個手段就是加速器。加速器產生的粒子的能量愈高，就愈能觀測更小的物質組成。目前已經測量到原子、原子核、核子（質子、中子、電子等）和夸克，尺度從10^-10米到10^-18米。最近又觀測到夸克以下層次的“基本”粒子存在的跡象（圖1）。為了研究更小層次的物質結構和運動規律，就需要更高的能量，這就是物理學家建造能量愈來愈高的加速器的根本原因。

這里應該指出，建造高能加速器的目的是研究“基本”粒子。“基本”粒子與天體演化在尺度上是兩個極端，但近年為人們廣泛接受的大爆炸宇宙形成理論，表明在宇宙形成之初的高溫度、高密度的狀態下，物質存在的形式也只能以極基本的粒子形態出現。因此，研究其小無內的高能物理學又與研究其大無外的宇宙學相聯系了。

三、加速器發展簡述

加速器發展初期，由于它能量較高可用以產生核反應，人們管它叫做“原子擊碎機”。這個名稱正像后來使用“原子能”一樣，是一個歷史上的誤解，正確的提法應該是“核子擊碎機”和“核子能”才對。

加速器的基本工作原理是帶電粒子在電場中受力而得到加速。當然，在粒子能量很高時，它運動的速度接近光速，變化很少，而明顯增加的是它的質量。因此叫它為加質器也許是更恰當的。

早期的加速器使用直流高壓加速帶電粒子，叫做高壓加速器。為了克服直流高壓不能避免的擊穿的限制，發明了使用高頻電壓的直線諧振加速器。為了使粒子在同一高頻電壓間隙能多次得到加速，采用磁場偏轉粒子使做近似的螺線運動，半徑逐漸擴大，多次通過間隙，同時使它的角速度與高頻角速度相等。這叫回旋加速器。使用它可以產生多種放射性同位素。它的發明人勞倫斯為此獲得1939年諾貝爾物理獎。當粒子能量進一步提高，質量隨能量提高而明顯增加，以致回旋頻率逐漸降低而與高頻間隙電壓不能維持同步，這就構成了回旋加速器能量的極限（對質子而言，約為25Mev）。顯然，如果讓垂直于磁場的高頻加速電場的頻率隨粒子回旋速度而變化，就可以維持同步的關系了。這種高頻電場頻率周期性變化的加速裝置叫同步回旋加速器。它可以把質子加速到700Mev左右。由于它的周期性的工作狀態，輸出電流只約有一般回旋加速器的萬分之一。后來又發明了使用特殊磁場分布的等時性回旋加速器，它既突破了回旋加速器能量的限制，又避免了同步回旋加速器因高頻頻率周期性變化而導致的低流強的缺點。不過，它使用的仍然基本上是實心的磁鐵。磁鐵重量和加工就構成了提高能量的技術上的限制。一個450Mev的同步回旋加速的磁鐵重量已高達2200噸。為了擺脫這個提高能量的限制，發明了使用環形磁場的同步加速器。1952年又發明了強聚焦原理，結果使磁鐵重量大大地減少，可將質子加速到Tev（10¹²電子伏）的量級了。

使用加速后的粒子打靶，產生高能反應進行實驗時，由于反應產物向前運動攜帶的動量，加速粒子只有一部分能量用于產生反應，能量愈高，這部分有用能量所占的比例愈少。為了克服這個限制，發明了對撞機這種特殊的加速器形態，它使兩束高能同類粒子或正、反粒子在加速器中對頭相撞。這樣全部加速器能量都可用于產生高能反應。因此，近年建造的高能加速器，無例外地都以對撞機的形式出現。

圖3給出加速器能量隨年代增長的勢態，可說是上文的一個概括的總結。由圖可見，經過大約60年的發展，加速器的能量提高了9個數量級。這樣的增長速度，在各種科學技術的發展史中是很罕見的。圖中也清楚地說明了當一種加速器的能量增長達到了原理或技術的極限時，人們就會發明一種新的加速器取代它，繼續向能量的高峰攀進，使人有“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”之感。人類無窮無盡的創造力，在加速器物理和技術的發展史中得到很好的驗證。

四、加速器的應用

加速器發展的動力本來源自高能物理和核物理基礎研究的需要，但在發展過程中，人們逐步認識到它在許多科技和國民經濟領域，有著廣闊的十分重要的應用，這樣，加速器就開始沿著基礎研究和應用兩個不同方向分道發展了。下面表1給出加速器的主要應用，我們將摘要地分別加以介紹。

（一）醫療應用

1．治療應用

加速器應用于腫瘤治療（放療），已有50余年的歷史，其基本原理是利用加速器產生的粒子束或射線的電離作用，最大限度地破壞腫瘤細胞而最少地影響正常組織，這是當前癌癥治療的三大手段（放療、藥療（化療）、手術）之一。調查表明，癌癥患者80％要接受放療，我國每年新發病患者即達160萬。癌癥是城市居民和農村男性居民中排列第一的死亡原因。為了滿足患者的治療需要，估計約需3000臺醫用加速器。

表1.加速器應用要覽 

（一）醫療應用

治療

γ射線（χ射線）

電子束

質子束

中子束

重離子束

光子束

π介子束

診斷

同位素生產

正電子斷層照相

雙色心血管造影

準單能χ光透視

（二）科研應用

同步輻射

自由電子激光

散裂中子源

慢正電子源

加速器質譜儀

活化分析

（三）工業應用

聚合物改性、交聯

固化、硫化

醫療器械消毒

離子注入

機械零件表面活化、堅化

γ線及中子探傷、集裝箱檢測

食品保鮮、谷物殺蟲

（四）能源應用

潔凈能源、廢料處理

聚變趨動

聚變等離子體加熱

聚變堆材料試驗

（五）國防應用

閃光照相、核爆模擬

電子學器件加固

空間環境模擬

劑量校準

導彈檢測

（六）環保應用

污水處理

廢氣處理

化學廢料處理

大氣監測

評判不同粒子束或射線治療腫瘤的有效程度是根據電離作用在人體內的深度分布曲線，因為電離作用結合相對生物效應就表征了對癌細胞的破壞能力。圖4給出一些粒子束和射線的劑量在水中（模擬人體）的電離分布，由圖可見，它們各自適應不同位置的病灶。目前看來，最為理想的照射手段是使用重離子束（如碳離子等），它的電離分布曲線很窄，進入人體的表層劑量較低，故如確知腫瘤位置，則通過對離子能量的控制（決定電離曲線峰值的位置）和流強的調制（決定電離峰值的大小），可以設定腫瘤各部位的劑量，取得三維最好的療效。日本在千葉縣已建成一臺重離子醫用加速器（HIMAC），投資超過3億美元，這么高造價的治療裝置，顯然是難以推廣的。美國LOMALINDA醫院使用的質子加速器，每年約可治療1000名患者，造價近5千萬美元，可能較易推廣。