加速器非核應用（二）

放射療法的一個重要發展，是從多個方向將束流或射線照射腫瘤，這樣，腫瘤劑量與健康組織劑量的比例就可以大大提高，在一定程度上彌補了非理想的劑量分布。γ刀、X刀就屬于這個范疇。從劑量分布的角度看，手術開腹時作一次性大劑量照射，殺死手術殘余的靠近重要器官的瘤細胞，可能會對療效有所改進。放療的另一發展途徑是將含有對人體某器官有親附性的元素的化學藥品注入人體，然后使粒子束或射線與之作用。例如：利用腦組織對硼的吸收和硼對熱中子的吸收的“硼中子俘獲療法”，可以用質子加速器的p-Li或p-Be反應提供中子；另一種是“光子激活療法”。利用同步輻射加速器產生的X射線，激活注入體內的藥物，在特定的部位發生作用。這時要求X射線能量與藥物的吸收譜線相近，故有足夠強度的準單能X射線的產生成為重要的環節。

2．診斷應用

自從放射性同位素廣泛用于醫學診斷（治療）以來，回旋加速器就成為主要的生產工具。目前世界上約有60臺能量為30Mev左右、流強為300微安左右的回旋加速器從事缺中子同位素生產。與研究使用的加速器不同，它們必須是緊湊、小型而且運行方便，可靠性高，以便在醫院現場生產短壽命的同位素，如鉈-201、碘-123等。

回旋加速器應用的另一重要方面是在正電子斷層顯像裝置（PET）中，正電子發射斷層顯像，是采用發射正電子的短壽命核素標記的藥物的方法。從體外動態地觀測人體吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平的生理、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，目前世界上此項裝置已有100余臺，它包括回旋加速器或其它能生產發射正電子同位素的加速器、放射性藥物合成、分析系統以及正電子照相機。

（二）科研應用

1．同步輻射裝置

當高能量的電子在加速器中受磁場偏轉而沿弧線運動時，將產生高亮度的廣譜電磁輻射。這種電子強烈的發光現象于1947年首先在美國通用電器公司的一臺同步加速器中被發現，因而名為同步輻射。同步輻射最初是被看成限制圓形電子加速器提高能量的障礙，后來逐漸認識到它在物理、化學、生物、地質、天文等學科的研究工作中具有廣泛的應用，由此在世界范圍內得到極大的發展，由寄生于高能物理實驗發展到專用裝置，又由一般專用裝置發展到以插入元件為主的高亮度裝置，迄今已經經歷了三代。目前建成的和正在建造中的第三代同步輻射裝置已有15臺，下面將要談到的自由電子激光為特征的第四代光源，也是遙遙在望了。我國有與北京正負電子對撞機兼用的第一代裝置，合肥的第二代裝置和臺灣的第三代裝置，目前正在考慮在上海建造一臺性能更為優異的第三代設備供科技界進行前沿研究之用。

同步輻射裝置無疑是加速器的重要應用之一，因為大家對它比較熟悉，這里就不擬多談了。只想提一提一個極有發展前景的例子：即使用同步輻射進行的微加工。它可以制造微型的電機、齒輪、傳感器、執行器、手術器械等，尺寸大小約為幾十到幾百微米，汽車安全氣墊的加速度傳感器、光纖開關、微透膜等都已經初步研制成功。將來很可能發展為一個重要的高技術產業。

同步輻射在科研領域的應用是多方面的，既有上述與實際生產有關的應用，也有基礎研究的應用。2003年諾貝爾化學獎得主的工作，就是使用同步輻射的結果。

2．自由電子激光裝置

自由電子激光是加速器產生的高能電子在極性交替變化的磁場中做扭擺運動而產生的電磁輻射。它雖名為激光，但與常規的基于電子在原子、分子中能級躍遷而產生激光的工作原理完全不同，只是由于兩者產生的都是相干輻射，因而使用了“激光”這個名稱。

自由電子激光的工作物質是高能子束，它攜帶巨大的能量，故具有產生極強的光輻射的潛力，而且波長連續可調，光束質量優異。1977年自由電子激光振蕩器發明之后，曾被美國納入“戰略防御計劃”（俗稱“星球大戰”），耗資10余億美元，希望能達到破壞對方戰略導彈的目的；后來由于政治格局的變化和研制過程中遇到的巨大的技術困難，此計劃以失敗而中斷。不過，自由電子激光的非軍事應用，卻在長波長和短波長兩個方向繼續發展，如大功率自由電子激光在化纖或其他化學工業方面的應用，美國連續電子束加速器實驗室（CEBAF）和俄羅斯新西伯利亞核物理研究所都在興建裝置。使用高能電子直線加速器產生高亮度、短脈沖的X－光自由電子激光，因光源亮度可高出現有光源10個數量級，稱為第四代光源。在美、德、日等國都在大力研究，勢將對科技發展起重要的推動作用。

加速器的高能質子打靶，經散裂反應可產生高強度的中子流，適用于較輕原子組成的物質的結構研究，這種散裂中子源與同步輻射光源在多種學科的應用是互補的。它們都是在原子層次上，研究、改善材料性能的有力工具。

（三）工業應用

加速器用于工業生產，以低能加速器和離子源為主，包括輻射加工、無損探傷、離子摻雜等方面。

輻射加工是通過加速器產生的電子束對高分子材料照射導致聚合物交聯，從而改善性能。電纜經過輻照，可以大大提高耐溫，輻照后的熱縮薄膜或管材，有加熱后恢復原形的“記憶”，都有十分廣泛的應用，我國已經形成了年產值達10億元的產業。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、手術器械和食品的消毒、滅菌、保鮮是輻照應用的另一些方面。

使用電子加速器產生γ射線，用于大型機械鍛、鑄件中的無損探傷，已有幾十年的歷史。近年一個有意義的發展是將加速器與核物理探測技術相結合，對集裝箱進行不必開箱的透視檢查。此裝置已由清華大學研制成功，它對進出口貿易頻繁的經濟發達國家的海關，顯然是一個必要的設施（圖5）。

使用離子源產生的不同能量和脈寬的各種離子束注入到基金屬中滲雜、改性或者制造新材料，已經得到了應用。使用回旋加速器將金屬或陶瓷等機械零件的表面薄層活化，再根據放射性產生的γ射線，測量其磨損情況，這是檢驗各種耐磨措施（如用離子注入提高硬度）的有效方法。

傳統的中子探傷是使用反應堆進行的，如渦輪葉片、核燃料、爆炸物等的探測。近年發展起來的一種小型RFQ加速器，可把質子或氘加速到幾個MeV，用以轟擊鈹靶，就可制成可移動式的強中子源。電子束焊接一般需在真空中進行，如果采用1MeV左右的小型電子加速器進行深層焊接，就不需要將被焊物體放在真空室內，而可以大大加快操作的速度。

（四）能源應用

1．裂變反應堆

利用裂變反應發電（核電站）已是一些國家的主要發電設施，也是解決人類未來能源的一個重要途徑。目前世界已有1/5的電能來自核電，我國大陸也有秦山和大亞灣兩座核電站在運行中。

不過，核電也存在一些問題，最主要的就是核廢料的處理。長壽命的高放廢料半衰期有的長達億年，如何處理就構成一個棘手的問題。目前的辦法是首先加工使之濃化、固化，然后找一個安全的地方貯存、深埋。這是十分困難而且耗資巨大的措施。另一方面，現在的核電站多以²³⁵U為燃料，它只占天然鈾資源的0.7％，長期燃料資源的考慮要求使用快增殖堆將含量較豐的²³⁸U（或²³²Th）加以利用。

針對以上核電的問題，日本、前蘇聯和美國很早就提出了使用加速器驅動嬗變技術（ADTT）的方案，它可將高放長壽命廢料轉化為短半衰期或根本無放射性的廢料。這些方案的主要思路是利用強流質子直線加速器（約1GeV能量，100ma流強）的質子束轟擊周圍有裂變的物質的液態鉛靶，產生的中子經慢化、倍增后，與經過適當處理的循環流動的核燃料及裂變產物相作用。圖6是這個方案的示意圖。

ADTT方案可用釷發電，同時燃燒核廢料，若設計為次臨界狀態，則因加速器可以瞬時停止，故整個裝置比較安全可靠。它發出的電能約有20%供加速器運行，而其余的80%則可并入電網使用。

當然，它也有它的問題：首先是強流加速器的技術困難，它的束流損失必須極小（約為每米納安的量級），不然會將加速器高度活化；可靠性必須很大；再則是初始投資十分龐大。不過隨著科技的進步，技術問題可以克服，投資要求也會下降，這種干凈、安全的電站是遲早會出現的。

2．聚變反應堆

核聚變反應可以釋放能量一事，約在80年前就被科學家發現了。例如氫的同位素氘氚聚變，就可產生氦核和中子，同時放出17.6MeV的能量，而氚又可由氘產生。氘在海水中有豐富的蘊量，作為聚變能源的燃料，估計可供10⁹年之用。聚變反應堆的放射性較裂變堆為低，安全性高，可以說是取之不盡、用之不竭的理想能源。

建造聚變反應堆發電目前正在沿著兩條可能的技術路線發展：一是磁約束，一是慣性約束。哪個更為易于實現，目前尚無定論，但兩者都與加速器有關。

對磁約束裝置而言，托卡馬克型的閉合環形等離子體裝置占有重要的位置，它的運行參數已接近建堆的要求，裝置中的等離子體需要射頻電磁場進行驅動與加熱。荷蘭已建成使用加速器的自由電子脈澤，作為下一代等離子體聚變裝置加熱的微波源。另外，為了加熱等離子體、驅動電流及填充燃料，基于加速器離子源技術的中性束注入器，也在一個裝置中取得圓滿的結果。

對慣性約束裝置而言，需要使用激光或離子束將熱核燃料壓縮到極高密度并加熱點燃。目前激光驅動最為常用，一般使用釹玻璃激光器。但到正式建堆時，需要考慮能量效率，而釹玻璃激光器的效率是偏低的，因此有的研究所在進行以自由電子激光器代替釹玻璃激光器的探討。

使用加速器產生的離子束轟擊靶球的慣性約束聚變裝置有它獨特的優勢，就是效率高，重復頻率高，并可長時間使用。諾貝爾獎獲得者魯比亞曾提出了一個使用重離子加速器和自由電子激光結合的系統方案。

不論最后聚變反應堆發電采用哪種方案，當前有一個共同的亟待解決的問題就是能耐強烈中子轟擊的建堆材料的研究。目前國際上正在考慮建造作為強中子源的聚變堆材料試驗加速器，來檢驗各種材料的性能。

（五）國防應用

1．閃光照像

使用能量為幾十兆電子伏、流強為幾個千安、脈寬為幾十納秒的感應電子直線加速器的聚焦電子束產生極強的X光，可進行核武器內爆系統的流體動力學及有關的瞬態過程的試驗，美國已建造三代這樣的裝置，即PHERMEX，FXR及DARHT。

2．電子學加固和輻射劑量校準

電子直線加速器產生的束流打靶產生的γ射線，可模擬核爆的輻射，用以研究電子學器件的輻射加固或劑量儀器的校準。

3．無損探傷

為了檢查導彈內部，特別是使用固體燃料時燃料位置的縫隙，已經研制成裝在汽車上的電子直線加速器，以便在現場進行探測。

4．核實驗模擬

核武器改進和檢查，除地下核試外，可在實驗室建立慣性聚變反應研究裝置，產生微型熱核爆炸，在參考實際核試驗測得的數據，就可以相當可靠地模擬核爆過程，改進性能，了解狀態。

（六）環保應用

前蘇聯新西伯利亞核物理研究所曾生產過大約120臺電子加速器供國內外應用，其中包括下水道廢水處理和電廠排煙的凈化應用。在當前人類面臨嚴重缺水的情況下，將廢水處理后合理使用，顯然是應該認真考慮的措施。燃煤電廠的廢氣中含有SO₂，NO_x，HCl，HF等，造成嚴重污染，在日本、美國、德國、波蘭、俄羅斯都在研究使用加速器的電子束進行處理，試驗結果表明在多種處理技術方案中，電子束法是很有競爭力的。我國成都電廠考慮興建一個規模居世界之首的電子束廢煙處理工程。

使用脈沖電子束處理化工廢料中的毒性，也在試驗研究之中，原理是通過射解形成自由基，而自由基對拆裂化學鍵是十分有效的。

（七）加速器應用產生的經濟效益

討論加速器應用產生的經濟效益，是一個復雜的問題，因為有些社會效益是不能以數字度量的，有些是間接的，即便是直接效益，由于牽扯方面很廣，也難以確切地統計。不過有一點是肯定的，就是加速器的非核應用，已給社會帶來了十分巨大的經濟效益。

就上面提到的6個方面應用而言，國防應用對一個國家的安全至關重要，但經濟效益卻難以度量。同樣，關于醫療應用，人的生命是無價的，又怎樣用經濟效益來表達呢？國外曾有人根據放療患者平均工作壽命的延長，再參考其增加的產值來估算放療的經濟效益，這個數字是十分驚人的，但也只能供參考而已。

加速器的科研應用（包括核與非核）產生了新的學科分支（如同步輻射、自由電子激光等）和帶動各種科技的發展，其結果當然是伴隨著巨大的經濟效益。世界上功率最大的速調管、規模最大的超導致冷系統、體積最大的超高真空系統、能產生最高磁場的超導體等等，都是因研制加速器而出現的。僅以超導體而言，目前世界產值已達35億美元之巨。

西歐核子中心曾對160家承擔高能加速及實驗設施的高技術工廠（包括電子、電器、真空、焊接、精密機械、光學儀器、計算機等）進行過調查，把由于承擔任務而導致的營業額的增加和成本的減少與合同金額的比數稱為效益，統計結果表明平均效益為4.2，這也許可以作為間接效益的舉例吧。

直接的經濟效益，應該表示扣除成本后同一產品應用加速器技術之后與應用之前的產值的差異，譬如一種規格的電纜輻照改性前后價格是不同的，機械工具硬化處理前后價值也是不同的。這些方面的數據，仍有待于收集和整理。

五、結語

從上面遠非全面的介紹，可以看出加速器在非核領域有廣闊的應用，而且許多應用還在發展之中，有些則已經形成相當規模的產業。就醫療應用而言，世界上醫用電子直線加速器現有2000～3000臺；生產同位素和正電子發射斷層顯像的回旋加速器約有200臺，制造這些加速器的工廠、大學、研究所僅在國內就有近10個。如果沒有經濟效益的話，這種情況是不會出現的。中科院高能物理研究所由于研制北京正負電子對撞機（BEPC）建立的設備與取得的經驗，而能向世界幾個國家出口加速管、磁鐵、微波部件、直線加速器等，取得了可觀的經濟效益。可以預言，隨著非核領域加速器的進一步應用，它必將為人民保健、國家安全、科技進步、工業生產做出更大的貢獻，有力地推動國民經濟的發展。

 謝家麟 加速器物理與技術專家。1920年8月8日生于哈爾濱。1943年畢業于燕京大學物理系，1947年考取赴美留學，1948年獲加省理工學院碩士學位，1951年獲斯坦福大學博士學位。中科院高能物理研究所研究員。主要從事加速器研制。曾任高能所副所長，北京正負電子對撞機工程經理等職。取得的主要成果有：在美領導研制成功當時世界能量最高的醫用電子直線加速器、我國最早的可向高能發展的電子直線加速器、北京正負電子對撞機、北京自由電子激光等等。曾獲國家科技進步獎特等獎、二等獎、中科院科技進步獎特等獎、何梁何利科技進步獎、胡剛復實驗物理獎等。