加速器物理課件第1章引言

加速器物理

Acceleratorphysics參考書：加速器物理基礎(chǔ)陳佳洱原子能出版社粒子加速器原理洪忠悌原子能出版社本講義關(guān)遐令第一章，加速器物理引言

§1,帶電粒子加速器概述

§2,加速器發(fā)展歷史

§3,低能加速器的應(yīng)用

§

4,高能加速器的應(yīng)用§1帶電粒子加速器概述 加速器的全名叫做“帶電粒子加速器”。是一種用人工方法產(chǎn)生快速帶電粒子束的裝置。它是利用電磁場來加速帶電粒子如電子、質(zhì)子、離子等的裝置，可以使粒子的速度達到每秒鐘幾千公里、幾萬公里，甚至接近光速(光在真空中傳播的速度是每秒鐘30萬公里)。由加速器產(chǎn)生的高速帶電粒子神通廣大，既可以用來變革原子核，進行物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的研究；又可以應(yīng)用到國民經(jīng)濟中的許多領(lǐng)域和國防建設(shè)。粒子加速器基本組成及特征三個基本組成部分真空、加速系統(tǒng)導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng)粒子源按被加速粒子的品種分類以粒子所能達到的能量分類

用加速器作為“顯微鏡”研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，其分辨能力

(Broglie

德布羅意波長）與產(chǎn)生的束流的能量E相關(guān)：

式中p為粒子動量，

為相對論速度，h=4.14

10-24

GeV

s為普朗克常數(shù)。對于E=1GeV，由式得

1

10-13cm，與質(zhì)子的直徑相當。因此，為了研究質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)，束流的能量須高于1GeV。這也是把1GeV作為中能與高能之分界的原因。現(xiàn)在，加速器已能把質(zhì)子加速到1TeV，相應(yīng)的實驗分辨力達到10-16cm，深入到強子的內(nèi)部。按加速電場和軌道的形態(tài)分類

相應(yīng)于直流高壓、交變磁場和高頻電場這三種電磁場形態(tài)，產(chǎn)生了高壓型、感應(yīng)型和高頻共振型三類加速器。最早的加速器是高壓型加速器。這種加速器的能量受擊穿電壓的限制，導(dǎo)致了回旋加速器的發(fā)展。在回旋型加速器中，引進磁場使束流沿曲線軌道運動，實現(xiàn)高頻電場或感應(yīng)電場對帶電粒子的多次加速，其偏轉(zhuǎn)半徑

式中，B為主導(dǎo)磁場強度，e為電子電荷量，Z為粒子電荷數(shù)?？梢娫诮o定束流能量和種類的情況下，如要減小加速器的彎轉(zhuǎn)半徑（從而機器尺寸），需要盡可能采用高磁場。

為了克服在恒頻的回旋加速器中粒子能量增加引起的滑相，出現(xiàn)了調(diào)頻回旋、電子回旋和等時性回旋加速器。在回旋型加速器中，主導(dǎo)磁場必須覆蓋不同半徑的螺旋線軌道。為了解決由此引起的磁鐵龐大的問題，又發(fā)明了磁場隨束流能量提高而增強的同步加速器，將束流約束在環(huán)型真空盒內(nèi)。 環(huán)型加速器中，特別是電子環(huán)型加速器中，存在的同步輻射阻礙向更高能區(qū)推進，鼓動了直線型加速器的發(fā)展。 而讓兩束相向運動的粒子對撞來提高有效作用能的對撞機，則把束流的等效能量推向新的高度。

它們各自都有適于工作的粒子品種、能量范圍以及性能特色。近年來，大中型的粒子加速器（如重離子加速器和高能加速器等）往往采用多種加速器的串接組合：例如由直流高壓型加速器作預(yù)加速器，注入直線諧振式加速器加速至中間能量，再注入回旋諧振式加速器加速至終能量。這樣的系統(tǒng)有利于發(fā)揮每一類加速器的效率和特色。

加速器的主要性能指標是：能量、流強

能量－對于微觀粒子如電子、質(zhì)子等，以電子伏（eV）為能量單位。它的定義是：帶有一個電子電量的粒子，通過1伏電位差所獲得的能量，叫做一個電子伏(1eV)，1eV=1.602

10

12eg(爾格)。爾格是通常使用的能量單位(從地面將重量為1/980克的物質(zhì)升高1cm所做的功為1爾格)，它們之間的關(guān)系如下：

電子伏 1eV=1.602

10

12

eg

千電子伏 1keV=103

eV=1.602

10

9

eg

百萬電子伏 1MeV=103

keV=1.602

10

6

eg 10億電子伏 1GeV=103

MeV=1.602

10

3

eg 1萬億電子伏 1TeV=103

GeV=1.602eg

要得到能量大于1GeV粒子，必需建造很大的高能加速器，其規(guī)模比幾座大樓還大。而在宏觀世界中，1GeV的能量是微不足道的。比如，一個1瓦的小燈泡在1秒鐘內(nèi)消耗的能量為6.3

109GeV。但若是把1GeV或1TeV的能量集中到一個電子或一個質(zhì)子的身上，那么就成為了一種神奇的力量。

流強

—單位是安培(A),

千分之一安培為毫安(mA)，1mA=10-3A

千分之一毫安為微安(

A)，1

A=10-3mA

千分之一微安為納安(nA)，1nA=10-3

A

有時也用每秒鐘輸出粒子的數(shù)目來表示流強。

安培流強每秒鐘輸出6

1018個電子，1

A每秒鐘輸出6

1012個電子。 通常加速器以脈沖方式輸出束流，如每秒鐘n個脈沖，脈沖的時間寬度為

，則脈沖流強比平均流強大1/n

倍。 能量為1GeV，流強為1mA的電子流，其功率為1MW，是相當大的?！?,加速器發(fā)展歷史20世紀初期，由于利用天然放射性粒子實現(xiàn)了原子核的變革，激發(fā)了人們尋求更高能量的粒子來作為“炮彈”的愿望。在當時科學(xué)技術(shù)發(fā)達的西方國家，發(fā)明家們幾乎在同一時期提出了靜電加速器（1928年）、回旋加速器(1929年)、倍壓加速器（1932年）的設(shè)想。并在30年代前后，建成了一批加速裝置，得到了比天然放射性能量高得多的質(zhì)子、電子等。從世界上第一臺粒子加速器運行以來，差不多已有了60多年的歷史?？v觀帶電粒子加速器的發(fā)展，可以按照其加速原理和結(jié)構(gòu)的不同，分成三個發(fā)展根系，分別對應(yīng)于三種不同的加速方法。我們就來按照三個根系的思路，介紹各自的發(fā)展歷程和應(yīng)用。粒子加速器的發(fā)展

人類賴以生存的世界是物質(zhì)的，而物質(zhì)世界是無限的。 本世紀以來，人類對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識從原子分子層次、原子核層次，質(zhì)子中子層次，逐步深入到強子內(nèi)部，達到夸克和輕子的層次，了解到自然界的四種相互作用都是通過相應(yīng)的媒介子傳遞的，光子傳遞電磁相互作用，中間波色子傳遞弱相互作用，膠子傳遞強作用，而引力子傳遞引力作用。HistoryoftheUniverse

Ifthehistoryofouruniverseof15billionyearscouldbecompressedintooneday(24hours)

theEarth,formedin4.6billionyearsago,wasbornat16:38, thefirstlife-format18:24, dinosaursbornat23:41anddiedoutat23:54. Thehumancametothestageat23:59:51.4,whilethehuman’shistorywithrecordisasshortas18ms, thelifetimeofamanissome30ms.研究微觀世界的方法

Stepuptohigherenergy1919Rutherfordinducedanuclearreactionwithnaturalalphas.1928Gamovpredictedtunnellingand500keVmightbesufficetosplitatom.1928Cockcroft&Waltonstarteddesigningan800keVgeneratorencouragedbyRutherford.1931VandeGraffinventedelectrostaticgenerator.1932Therectifiergeneratorreached700kVandCockcroft&Waltonsplitlithiumatomwith400keVproton.加速器家族的三個根系1

高壓型加速器加速器家族的三個根系2

諧振型加速器1924

Isingproposedtime-varyingfieldsacrossdrifttube.1928WideroedemonstratedIsing’sprinciplewith1MHz,25kVoscillatortomake50keVpotassiumions.1929Lawrence,inspiredbyWideroeandIsing,conceivedthecyclotron.1931Livingstondemonstratedthecyclotronbyacceleratingprotonsto80keV;1932Lawrence’scyclotronproduced1.25MeVprotonsandsplittheatomjustfewweeksafterCockcroft&Walton.加速器家族的三個根系3

感應(yīng)型加速器1923Wideroe,ayoungNorwegianstudent,drewinhislaboratorynotebookthedesignofthebetatronwith2-1rule.Twoyearslaterheaddedtheconditionforradialstabilitybutnotpublish.1927Wideroemadeamodelbetatron,butitdidnotwork.Discouragedhechangedcourseandbuiltalinearaccelerator.1940Kerstre-inventsthebetatronandbuiltthefirstworkingmachinefor2.2MeVelectron.1950Kerstbuilttheworld’slargestbetatronof300MeV.

Thecenter-of-massenergyforthecollisionoftwoparticleswithenergyE1andE2,andcrossingangle

isexpressedaswherem1andm2aretherestmassesofthetwoparticles.Infixedtargetexperiments,whereE2=mc2=E0,Eq.iswrittenas Inthecaseofcolliders,E1,2>>E0;whileinmostexistingcolliders,m1=m2,E1=E2=Eand

=0,andthusEq.becomes

ItisclearthatEcm,collider

>>Ecm,fixedtargetwhenE>>E0,whichisthecaseinhighenergyphysicsexperiments.FermisDreamFermis

DeamEbeam

5000TeVEC.M.

3TeV

Bmax 2TR

8000kmCost 170BUSDCons.40Years？SSC(LHC)20(7.7)40(15.4)6.6(10)13(4.3)8（2）9（6）我國的大型加速器

中國的粒子加速器領(lǐng)域的幾個大加速器的建成和成功運行表明我國已進入世界高能物理、核物理和同步輻射研究的行列。北京正負電子對撞機成為在

/粲能區(qū)性能占領(lǐng)先地位的高能加速器；北京同步輻射裝置是第一代光源，主要工作在X射線能區(qū)；作為蘭州重離子裝置延伸的冷卻儲存環(huán)計劃，將在重離子方面覆蓋到高能低端(900MeV/核子)；800MeV的合肥同步輻射光源，是我國第一臺專用同步輻射裝置，流強達300mA，第二期工程，以提高光源性能，增加光束線；以高性能、中規(guī)模、寬波段為目標的上海同步輻射光源已經(jīng)基本建成，它將使我國在同步輻射研究方面進入世界先進行列；1993年建成的臺灣同步輻射裝置SSRC，能量為1.3GeV，流強為300mA，屬于第三代光源，現(xiàn)已有多條束線投入運行；1BEPCwasconstructedin1984–1988withbeamenergy:1–2.8GeVPhysicsRun：Luminosity1031cm-2s-1@1.89GeV,5month/yearSynchrotronRadiationRun：140mA@2.2GeV,3month/yearBEPC4w1DiffuseScatteringX-rayfluorescenceanalysisTopography4B9X-rayDiffractionSmallanglescatteringPhotoemissionSpectroscPopy3B1Lithography3W1Middleenergy4W1B4W1A4B9B4B9A3B1B3B1A3W1A3W1B4wigglersand13

beamlines.>300exp./yearfrom>100institutionsBeijingSynchrotronRadiationFacility140mA@2.2GeV1W1AXAFS1W1BHigh-pressurediffractionLIGAVUVMacromolecular3B31w14w23B3SoftX-rayOpticsBEPCII:

Adouble-ringhighluminositye+e-

collider

BEPCII的一般描述 TheBEPCIIcontinuestoservethepurposesofbothhighenergyphysicsexperimentsandsynchrotronradiationapplications.MainParameters2蘭州近代物理所

重離子冷卻儲存環(huán)HIRFL-CSRLayout12.1Tm1.1GeV/A—C6+2.8Gev--p9.4Tm500MeV/A—U92+K=450K=69HIRFLHIRFL-CSRProjectatLangzhou蘭州重離子物理裝置

3上海同步輻射裝置4合肥同步輻射國家實驗室LayoutofHLSelectrongunpre-buncherandbuncheracceleratingtubeextendingpartsoflinacswitchingmagnetspectrometerbeamdumpnuclearexperimentalhalltransferlinestorageringLinacStorageringParametersoflinacEnergy200MeVRepetitionfrequency1or50HzPulselength0.2~1.0μsCurrent50mAEnergyspread1%Lengthofacceleratingtube35.128mTypeofacceleratingtubeConstant-impedanceElectricfield(maximum)12MV/mMicrowavefrequency2856MHzParametersofstorageringInjectionenergy200MeVOperationenergy800MeVCircumference66.13mFocusingtypeTBAEmittance(10%coupling)160/16nm

radCurrent~250mA(Imax=400mA)Lifetime(1/e)>8hoursHarmonicnumber45Tunes~3.54/2.60/0.008Criticalradiationwavelength2.4nmRadiationlossperturn16.31keV5TheplanviewoftheBeijingRadioactiveIon-beamFacility

§3,低能加速器的應(yīng)用能量低于100MeV的小型低能加速器是當今世界上應(yīng)用最為廣泛的加速器。早在30年代加速器誕生后不久,人們就注意到可以將加速器產(chǎn)生的離子束、電子束或由電子束轉(zhuǎn)化的X射線等，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域。真正大規(guī)模的應(yīng)用開始于60年代中期,幾乎所有類型的小型加速器都在核醫(yī)學(xué)、工業(yè)輻照、離子注入及核分析技術(shù)等應(yīng)用領(lǐng)域找到了各自的位置。70年代以后,在經(jīng)濟發(fā)展需求的推動下,一些小型加速器得到了迅速的發(fā)展,如電子直線加速器、小型回旋加速器、離子注入機、高頻高壓加速器、靜電及串列靜電加速器等，都已趨于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),形成了加速器工業(yè)。目前世界上在各個領(lǐng)域應(yīng)用的各類小型低能加速器估計總數(shù)有上萬臺，其中約65%是電子加速器。加速器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用疾病的診斷為了對病人進行治療,首先要對病情作出正確診斷,才能制定好的治療方案。診斷的內(nèi)容主要是對臟器結(jié)構(gòu)顯像(即照相)和功能檢查。70年代發(fā)展起來的計算機斷層掃描技術(shù)(簡稱CT)所謂X－CT是用很細的X射線束對人體的病變部位從不同角度進行一層斷面一層斷面的掃描,安置在人體周圍的大量探測器對透過肌體的X射線在各點上的強度進行測量,利用計算機將收集到的數(shù)據(jù)進行快速處理,重建病變區(qū)的立體圖象，所得圖象的分辨率要比普通的X光照相提高十倍之多。加速器介入醫(yī)學(xué)應(yīng)用后,不僅可以間接或直接提供某些射線束,如質(zhì)子、中子以及X射線進行照相,更重要的是促使了一代能測試臟器功能的新的發(fā)射型CT(簡稱ECT)的問世,其主要原因是加速器能生產(chǎn)大量的放射性同位素,作為新的X射線源。用加速器產(chǎn)生放射性核素XCT是透射型CT(computertomography),在攝象過程中,測定的是通過肌體的X射線強度的衰減情況,從不同的衰減來分析病變情況。而發(fā)射型CT--ECT則不然,它測定的是放入肌體內(nèi)的放射性核素發(fā)射出來的γ射線強度,最后獲得的是各斷層面上放射性核素的密度分布圖象,從不同的密度分布來分析病變情況。所以關(guān)鍵是如何產(chǎn)生這類放射性核素,又如何將其放入體內(nèi)所需檢查的臟器以進行診斷。放射性藥物

將短壽命放射性同位素制成特定放射性核素標記的放射性藥物,讓病人服用或注入體內(nèi),由于各種放射性藥物對不同的臟器有不同的親和力,藥物進入人體后將會有選擇地濃集到那些需要檢查的病變區(qū),所發(fā)射的γ射線將會穿出體外,通過病體周圍的探測儀器,就可觀察到放射性核素在臟器中的異常分布,可診斷臟器的病變情況。還可以通過放射性核素在臟器中γ射線隨時間的異常變化規(guī)律,判斷病人的臟器功能。例如鉈201是一種親心肌的核素,由于心肌梗塞壞死的部分將失去對元素鉈的集聚能力,于是在心肌的相片上就會出現(xiàn)γ射線強度較弱的病變區(qū)。再之,病變后的臟器，其功能必然異常,它不僅表現(xiàn)在放射性核素濃集程度的差異,也會反映在清除藥物的速度變化上,即代謝能力變化,從而通過對放射性核素在血、尿或糞便中的變化過程,了解到臟器功能的變化。醫(yī)用放射性核素目前使用的醫(yī)用放射性核素有兩類：一類在衰變時發(fā)射出γ單光子;另一類是β+衰變,在衰變時發(fā)射正電子，正電子又與附近組織的電子湮滅并發(fā)射一對方向相反的γ光子。單光子發(fā)射計算機斷層成像術(shù)(Single-PhotonEmissionComputedTomography，SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像術(shù)(PositronEmissionTomography，PET)是核醫(yī)學(xué)的兩種CT技術(shù)，由于它們都是對從病人體內(nèi)發(fā)射的γ射線成像，故統(tǒng)稱發(fā)射型計算機斷層成像術(shù)(EmissionComputedTomography，ECT)。正電子發(fā)射斷層照相法（positronemissiontomography)PET要求測定相反方向的一對γ光子,所以它采用的是多層正六邊形的探測器。測量時，人體的病體部位位于六邊形的中心區(qū)域。探測器一般采用閃爍時間極短的BGO(約300ns)晶體，沿環(huán)分布著上百塊BGO晶體,用以測量這一對γ射線到達相對應(yīng)的兩塊晶體上的飛行時間差,就可求出湮沒點的X、Y坐標,使PET的靈敏度及空間分辨率都有很大的提高,從而可給出極其清晰的臟器圖象。

這里所需要的放射性核素必須是短壽命的，使檢查時有足夠的γ射線強度；在完成檢測以后，希望放射性藥物能很快地衰減掉，以減少對身體的不良影響；排泄物中的放射性藥物也要很快衰減，才可方便地處理廢物；患者做這種檢查無須住院和隔離，也不會讓其它人受到

射線的照射；還要考慮它的制作、運輸和使用周期。放射性核素衰變時放出的γ光子的能量不能太高,否則會使圖象空間分辨率降低,能量又不能太低,以免容易被組織吸收,使深部臟器病變的探測變得困難。通常較合適的能量在100到300keV之間。還有，放射性核素的品種要多，以適應(yīng)于不同臟器及不同診斷的需要。SPECT常用的同位素有鉈201(半衰期τ=3小時,γ射線能量=80keV),它是用25~28MeV的質(zhì)子轟擊鉈203來產(chǎn)生的，用作心肌注射劑。還有用于腹部的鎵67(τ=78.3小時，=100~300keV)和用于甲狀腺的碘123(τ=13.2小時,=160)等。

PET常用的β+衰變核素壽命均在幾十分鐘,如碳11(τ=20.5分)、氮13(τ=13分)、氧15(τ=2分)、氟18(τ=110分)等，這些元素與大腦組織的成分十分相似,容易通過腦屏障進入腦部,便于診斷與研究腦功能。上面所舉的短壽命放射性同位素是用加速器提供的低能質(zhì)子束來產(chǎn)生的。對于PET所需的放射性核素,一般采用的加速器是能量為10~18MeV的質(zhì)子或5~9MeV的氘束,流強為75

A。由于PET所用的大部分核素壽命只有幾到幾十分鐘,因此要求每一個PET中心或鄰近配置一臺回旋加速器,便于及時送到現(xiàn)場。對于SPECT所需用的核素是依靠能量為30MeV、流強為幾十到幾百微安的質(zhì)子回旋加速器生產(chǎn)的。80年代以來,這些回旋加速器已經(jīng)商業(yè)化,它的特點是結(jié)構(gòu)十分緊湊,不但體積小,重量輕，功耗小，而且自動化程度高,可快速開機和關(guān)機,運行操作方便,安全可靠,故障率低,適合于醫(yī)院的環(huán)境,已經(jīng)與以往研究用的回旋加速器大不相同了。如今全世界已有200多臺這類加速器,專用于生產(chǎn)放射性核素。目前正在形成一門新的綜合性影象診斷學(xué),它把多種先進的手段,如PET、SPECT、XCT以及核磁共振CT等結(jié)合在一起,并輔以X射線照相、同位素照相等常規(guī)方法,這為解決一些疑難問題，如腦神經(jīng)功能失常和心血管系統(tǒng)疾病防治等,展示了十分光明的前景。

放射治療是治療癌癥的重要手段(一)

幾十年治療癌癥實踐表明，放射治療是諸多治療手段中極為重要的一環(huán)。近年來，多維適形調(diào)強治療方法使癌癥放射治療的治愈率和有效控制率明顯提高，放射治療使某些早期局部性腫瘤獲得根治。同時放射治療對癌癥所在部位周圍的器官及其功能的保留有重要意義，可以改善患者的生活質(zhì)量。放射治療是治療癌癥的重要手段(二)

常規(guī)放射治療:

放射源(放射性同位素)產(chǎn)生γ射線:γ刀.

電子直線加速器：電子打靶產(chǎn)生X射線新型放射治療:

質(zhì)子及重離子速器:質(zhì)子及重離子

X放射治療在某些腫瘤的治療上已表現(xiàn)出較好的療效，但由于X射線在人體內(nèi)產(chǎn)生的劑量隨入射深度指數(shù)衰減，致使腫瘤前后的正常組織也受到一定程度的損傷，治療效果不夠理想。據(jù)統(tǒng)計，在所有的常規(guī)放射治療病人中約有30%以上局部失控。

Aprotonbeamdeliversthemaximumamountofitsradiationtothetarget

Anx-rayorphotonbeamdoesnotdeliverthemaximumamountofitsradiationtothetarget慕尼黑質(zhì)子治療中心的Accel裝置兵庫PATRO(三菱粒子治療裝置)模型PATRO:ParticleAcceleratorforTherapy,RadiologyandOncology筑波質(zhì)子醫(yī)療研究中心(PMRC)2003年與GSI訂約,發(fā)展粒子治療系統(tǒng)GSI(Gesellschaft

für

Schwerionenforschung)西門子公司德國海得堡

離子治療中心

(HITC)CompactdesignRasterscanningonlyLow-LETmodality:Protons(laterHe)High-LETmodality:Carbon(Oxygen)>1000patients/year>15.000fractions/yearFirstpatient:theendof2007CNAO正在Pavia建造的粒子治療裝置CNAO(NationalCentreforOncological

Hadrontherapy)

意大利核物理研究院研制的粒子治療系統(tǒng)在患者體中的劑量沉積與輻照深度的關(guān)系根據(jù)粒子輻射在體內(nèi)隨深度變化的Bragg峰曲線，劑量可集中在腫瘤部位。碳離子（290MeV/n）在殺死腫瘤細胞上具有最佳的特征曲線。峰后零劑量：能夠保護腫瘤周圍的健康組織或器官。

照射前，須用X射線攝影確認病變部位的三維坐標與診斷結(jié)果完全一致。加速器在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用輻照加工輻照加工的對象有高分子聚合物、合成橡膠、各種化工原材料、生物制品、食物、糧食和藥材等。MeV級的射線與材料或物品的相互作用，是復(fù)雜的電離過程，在樣品中會產(chǎn)生物理變化、化學(xué)變化或生物效應(yīng)，會導(dǎo)致材料的性能發(fā)生改變，把這個復(fù)雜變化稱作輻射效應(yīng)。不同的加工對象，不同的照射劑量，材料的不同化學(xué)成分配方，可得到不同的輻照效果。輻射效應(yīng)導(dǎo)致材料性能的變化可能有利，也可能有害。實驗研究表明，如果有科學(xué)的材料配方(加合適的添加劑)，選擇合適的輻照劑量強度、設(shè)計合理的工藝流程，就能使材料性能得到改善。在整個輻照加工工藝流程中，加速器裝置是其中的重要環(huán)節(jié)。輻照加工的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，從導(dǎo)彈和航天飛行器到人們的日常生活用品，處處會用到輻照產(chǎn)品。從當前國際上已成熟的輻照產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)來看，所形成的輻照產(chǎn)品可以主要分成下面幾類：輻照交聯(lián)電線電纜；輻照交聯(lián)熱收縮套管、膜和板；表面涂層固化；輻照交聯(lián)聚乙烯泡沫材料；橡膠輻照硫化；食品輻照保鮮；輻照消毒滅菌，輻照法處理廢水和污泥；煙氣輻照脫硫；高分子材料降解等。輻照加工熱收縮材料

不論是鋪設(shè)海底電纜，還是埋設(shè)光纜，都要解決接頭包裹層的密閉問題。要用防滲漏、耐腐蝕、強度大的特殊材料，這種材料就是具有“記憶效應(yīng)”的聚乙烯熱收縮材料。它的制作過程是：把用電子束照射過的交聯(lián)的結(jié)晶型聚乙烯材料加熱到結(jié)晶熔融溫度以上，出現(xiàn)晶粒，呈現(xiàn)出如橡膠狀的彈性體。對這種彈性體施加外力，如吹脹管材使管徑擴張，或者拉伸薄膜使變形。冷卻后，可保存在變形狀態(tài)下。使用時，比如要包裹電纜接頭時，剪下一段孔徑較大的熱收縮管，套在電纜接頭上，然后再加熱到熔融溫度，這時由于沒有外力，它的變形就會因結(jié)晶的消失而回到原來的形狀。也即大孔徑的聚乙烯管因受熱而收縮回到原來的尺寸，這樣就能把電纜接頭緊密地包住了。制造聚乙烯泡沫材料

聚乙烯材料輻照發(fā)泡的過程是：在聚乙烯原料中，混合一定比例的發(fā)泡劑和添加劑，擠壓成板材，接受加速器電子束的輻照發(fā)生交聯(lián)，再加熱到熔融點溫度以上，這時發(fā)泡劑分解產(chǎn)生氣體，在聚乙烯內(nèi)形成氣泡，就成了泡沫板。在發(fā)泡劑分解過程中，未交聯(lián)聚乙烯的黏度很低不能留住氣泡，而交聯(lián)聚乙烯有合適的黏度，在內(nèi)部能形成穩(wěn)定而細密的氣泡。工藝過程中，除了選擇合適的電子能量和控制劑量率，更重要的是研制理想的發(fā)泡劑、加熱發(fā)泡爐和溫度控制等。日常生活中已為泡沫材料包圍輻照交聯(lián)聚乙烯泡沫材料用途很廣。在日常生活中常見的各種商品的防震包裝材料、建筑用保溫與背襯材料、體育運動防護設(shè)備和玩具等。比如汽車座墊、救生圈、運動鞋的襯墊、地毯襯料、波紋鐵皮屋頂?shù)谋夭牧系龋瑪?shù)不勝數(shù)。聚乙烯發(fā)泡也可以用化學(xué)方法制造，但80年代后國外利用輻照方法制造的比例越來越大。涂層的輻照固化

輻照固化顧名思義，就是襯底材料上的涂料層經(jīng)射線照射后，易干而不脫落，光潔而平滑。比如錄音帶、錄像帶等，是在塑料襯底上涂上一層磁粉，經(jīng)輻照后可制成磁粉不易脫落的高質(zhì)量磁帶，又如在木板外表面附上一層可聚合的高分子單體薄膜，輻照以后產(chǎn)品表面光滑如鏡，且可防止煙頭的灼焦。這種固化方法的原理是在電子束照射下，復(fù)合涂料發(fā)生了聚合交聯(lián)反應(yīng)，形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使粉狀的或液態(tài)的涂料層很快固化；同時，涂料又與襯底發(fā)生接枝反應(yīng)，使涂料牢固地附著在襯底材料上。涂層厚度一般為30~300微米，因此對加速器的能量要求不高，電子能量在200~500keV就夠了。但為了提高輻照效率，要求加速器有較大的束流強度，流強范圍大約為25~100mA。合適的加速器是絕緣芯變壓器型電子加速器、中頻倍壓加速器、高頻高壓加速器及電子簾加速器。X射線無損檢測技術(shù)X射線（或中子束）有很強的穿透能力，既可以用它來對人體進行透視，也可以用來檢測物體內(nèi)部的缺陷和構(gòu)造。這項技術(shù)叫做“X射線無損檢測技術(shù)”，它在不破壞或不損傷被檢測對象(材料、零部件等)的前提下，給出其內(nèi)部缺陷的形狀、位置、大小和性質(zhì)，技術(shù)人員據(jù)此可以判斷缺陷對產(chǎn)品性能的影響。這種情況和射線與人體組織的作用過程是相同的，只是組成人體組織的的主要成份是氧(O)、氮(N)、碳(C)、氫(H)等，而受無損檢測的工業(yè)部件則主要是由銅(Cu)、鐵(Fe)、鋁(Al)等材料組成的。不同的材料選擇不同能量的X射線。高能量的X射線需要由幾MeV或幾十MeV的電子打靶產(chǎn)生。其中能量為15MeV~35MeV的電子感應(yīng)加速器以及能量為2MeV~15MeV的電子直線加速器可檢測鋼板的厚度是50~600mm，前者使用靈活和方便，但流強低，照射時間長。后者有較高的束流強度，檢測速度快，劑量率高。當前使用的電子直線加速器做得十分靈巧，照射頭輕，目前使用最多，但造價較高。正在向便攜式或車載式方向發(fā)展。離子注入：離子注入機是一種小型高壓加速器，是工業(yè)領(lǐng)域使用最多的粒子加速器。將需進行離子注入的材料做成“靶片”,放在靶室的支架上，聚焦后的離子束流以掃描方式均勻注入到靶片上。半導(dǎo)體工業(yè)：用離子注入技術(shù)制作半導(dǎo)體元器件和集成電路，可以精確控制注入雜質(zhì)的濃度和深度。晶片上的注入深度通常小于1

m，主要取決于離子的能量。摻雜量的濃度隨器件的不同而異，約為每平方厘米1010－1015個離子，由注入機的流強來控制，最大強強可到30mA。對注入過程連續(xù)監(jiān)視能保證晶片上的均勻度好于1%。離子注入機可用來制作半導(dǎo)體二極管、雙極晶體管、集成電路、化合物半導(dǎo)體器件、光電器件等。在我們現(xiàn)代生活中所使用電器中的微小電路，幾乎都少不了離子注入的加工過程。加速器在治理環(huán)境方面的應(yīng)用燃煤煙氣的輻照處理燃煤煙氣的輻照處理過程

設(shè)想，在煙道內(nèi)有一個由電子束形成的“簾”，當煙氣遇到電子束時，必然與電子束發(fā)生復(fù)雜的相互作用。煙氣中的N2、O、H2O被電離和激發(fā)，生成游離基(OH、O、N等)和水，燃煤煙氣中的SO2和NOx又與游離基和水進行化學(xué)反應(yīng)，生成硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。在這個過程中，還加入氨氣(NH3)，與硫酸和硝酸發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸銨((NH2)2SO4)和硝酸銨(NH4NO3)。由于硫酸銨和硝酸銨都是可以利用的化肥，因此沒有二次廢物整個工藝流程圖的關(guān)鍵設(shè)備是電子輻照加速器。一般電子束能量為0.3~0.8MeV，單機功率達300~500kW。加速器質(zhì)譜技術(shù)(AMS)加速器質(zhì)譜技術(shù)(AMS)是最近20年來迅速發(fā)展起來的一種超微量分析方法，主要用來分析及測量自然界中存在的一些含量極微的長壽命放射性同位素※。AMS測量的靈敏度極高，待測同位素的豐度※可低至10-12~10-16，比普通質(zhì)譜儀的靈敏度高出1億到十億倍。有人作了一個比喻，假如普通質(zhì)譜儀的靈敏度相當于從30立方米的沙堆里找出一粒特殊的沙子的話，那么，加速器質(zhì)譜儀就相當于能從10萬輛卡車所裝載的沙粒中，找出一粒特殊的沙子。所以把加速器質(zhì)譜技術(shù)稱作超靈敏質(zhì)譜技術(shù)。

14C斷代由于AMS的神奇功能，使它在地質(zhì)、考古、人文、環(huán)保等應(yīng)用領(lǐng)域有極強的生命力，已用于地質(zhì)科學(xué)、考古學(xué)、環(huán)境科學(xué)、海洋科學(xué)、天體物理、核物理等的研究中。在已開展的諸多領(lǐng)域里，最令人注目的是在考古學(xué)中通過測量14C(碳14)的豐度，來判斷考古樣品的年代，簡稱14C斷代。

在自然界中的碳共有三種同位素，即12C、13C和14C，其中12C為主要同位素，而只有14C是具有放射性的同位素。地球上的碳14主要是由宇宙線中的熱中子轟擊14N產(chǎn)生的，即14N+n

14C+p。14C一旦產(chǎn)生后，就與氧結(jié)合成14CO2。這樣，極微量的14CO2通過光合作用也與12CO2一起被植物吸收，因此在所有的植物中都會含有14C。植物通過食品進入人(動物)體內(nèi)，動物通過排泄或死亡，植物也通過腐爛而滲入土壤使土壤也含有14C。另外，14CO2又與廣闊的海洋接觸，使海洋生物及海底沉積物中也都含有14C。海洋是一個很大的14C儲存庫，通過蒸發(fā)，一部分14CO2又返回大氣。如此形成一個復(fù)雜的交換鏈。另外，14C又以5730年的半衰期衰變而減少。最后形成了14C含量的一個平衡值。但如果動物或植物一旦死亡，那時14C得不到補充，而在體內(nèi)的含量會因衰變而減少，即每5730年14C的含量就減少一半。由于在幾萬年期間，上述14C產(chǎn)生的自然規(guī)律是近似不變的，所以14C的平衡值也是一個近似的常數(shù)。這樣，在古代動植物中14C的最初含量應(yīng)該與當初動植物中的含量一樣。這樣就可以拿現(xiàn)代動植物中所含14C(稱現(xiàn)代碳)平衡值作為樣品的最初平衡值。只要能測出古代樣品中14C的含量，以現(xiàn)代碳為標準，進行比較，就可以推知該樣品的年代了。這就是所謂的14C斷代法。與常規(guī)的放射性衰減計數(shù)法及傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀分析方法相比，AMS克服了兩者的弱點。因為放射性元素的衰變率正比于樣品中該元素的含量，如測得樣品中該元素的衰變率，再根據(jù)已知衰變期就可以推算出樣品中該元素的含量。這就是所謂的常規(guī)的放射性衰減計數(shù)法。用它來測長壽命放射性核素(如半衰期為1000年到百萬年)，由于半衰期長，故單位時間的衰變核數(shù)目很少，計數(shù)率就低。以14C測定為例，在1克現(xiàn)代碳樣品中約存在6.5×1010個14C原子，而計數(shù)率卻只有每分鐘15次，測量一個樣品往往長達數(shù)天，而AMS只用1毫克的現(xiàn)代碳樣品，計數(shù)率就可達到103個/分鐘，只需要幾十分鐘即可完成，大大縮短了測量的時間，提高了效率。另外，AMS還減少了樣品的需要量。樣品需要量的減少，就可以對一些小樣品進行測量(如一粒種子，一根線，以及殘存在古代鍋內(nèi)的食物殘渣等)。尤其是對考古中的一些珍貴樣品，不允許大量取樣時，AMS就顯得更為重要，成了唯一的工具。至于傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀在分析微量元素時很難排除分子本底和同量異位素的本底的干擾，例如測定14C時有同量異位素14N；測量36Ar時有同量異位素36S。在普通的質(zhì)譜儀中這些元素將具有相同的軌跡，因此就無法將其分開.

§4,高能加速器的應(yīng)用

同步輻射在加速器的諸多應(yīng)用中，產(chǎn)生于GeV級的電子儲存環(huán)中的同步輻射算得上是最有價值、應(yīng)用最廣的一種。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)，在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面用于研究各種蛋白質(zhì)的功能，在工業(yè)上可用以生成更具活性的蛋白質(zhì)如酶。利用同步輻射光的高亮度和時間結(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。一個例子，是波音公司利用同步輻射研究發(fā)展的一種新材料取代鋁材，使波音公司757飛機的機身重量減輕了30％，并且大大降低了造價。

SynchrotronRadiationfacilities

Highbrightness；

Tuneable&widespectrum；

Highlycollimated(1/g);Coherentradiation;Cleanvacuumcondition;Timestructure……

Asmultidisciplinaryresearchplatform,synchrotronradiationfacilitiesarewidelyappliedintheresearchesofmaterials,biology,physics,chemistry,geology,medicine,lithography,micro-fabricationandotherfields.同步輻射光源Energylosspertern：BEPC：E=2.8GeV,r=10.345m，U0=526keV自由電子激光自由電子激光器是能把電子束能量直接轉(zhuǎn)化為光波(電磁波)的裝置，是近20多年來在加速器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的，并正在迅速發(fā)展的一種新型光源。FEL與同步輻射光相似，具有工作波長連續(xù)可調(diào)、覆蓋頻譜寬(從毫米波一直到真空紫外甚至軟X射線這個波譜區(qū))，有優(yōu)異的光脈沖時間結(jié)構(gòu)(皮秒級)等一系列特殊的優(yōu)點，而且比同步輻射光功率更大，亮度更高，效率更好，在科學(xué)研究及應(yīng)用方面有廣闊的天地FEL=加速器＋波蕩器＋激光

1)加速器

它是FEL的主體，由它將電子束流加速到一定的能量，并具有高的性能和流強，電子束就是受激物質(zhì)。2)波蕩器

如前所述，它是由周期性排列的永磁鐵制成，可以產(chǎn)生空間周期性的磁場。使電子作蛇形運動，并使電子與入射光波發(fā)生相互作用。由于是靜磁場，它本身既不能產(chǎn)生能量也不能儲存能量，而只起了耦合作用。3)輸入訊號源（或者利用電子的自發(fā)輻射）

作為“種子”，使電子束“受激”。4)光腔及端鏡

使激起的光波在光腔中來回反復(fù)運動，使之與后面相繼進入的電子束團相互作用，并引起正反饋。ADS加速器驅(qū)動的潔凈核能系統(tǒng)核能是高效的能源

60m2陽光·小時1kW1kg煤3kWh1kg汽油4kWh1kg天然鈾(0.7%U235)5X104kWh

1kgPu

239(由U238轉(zhuǎn)換)6X106kWh

核能是排放廢物總量很少的能源

1Gwe煤電站年排放 1Gwe

核電站年排放

SO2

900噸 高放射性 35噸

NOx

4500廢物

CO2

650萬噸 粉塵 1300噸 灰粉 100萬噸

核能是有利于改善大氣環(huán)境污染的能源

Problems:資源PWR2,580,000Ton(2025)PWR+FBR650,000Ton

HLW乏燃料7,200Ton

(40GWePWR)錒系元素4Ton

長壽命裂變產(chǎn)物17TonADSAcceleratorPartitioning（FP）Target（30n/p)95%ShortlivedFP(storage)

MA(<5%)n-cyclingMA’s&LLFP(<5%)TobetransmutedFeedtoAcceleratorSub-criticalreactor(WasteTransmutation，fissilebreeding)FuelcyclingPWR1000

MWe

ReprocessingHLW(MA,FP)k,G1GeV,40mA什么是ADS系統(tǒng)ADS系統(tǒng)是由一個中能流強質(zhì)子加速器（

1GeV、20mA－40mA），轟擊重金屬靶，通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生強的外中子源，用以驅(qū)動一個次臨界反應(yīng)堆。其優(yōu)點在于1、提高資源利用率－充分利用238U，開辟232TH新途徑2、放射性核廢物少－ADS的MA為PWR的1％3、有嬗變能力－將MA變?yōu)椤百Y源”4、固有安全性5、自增殖核燃料強流質(zhì)子加速器是具有最廣泛的應(yīng)用前景，重要的應(yīng)用領(lǐng)域：散裂中子源SNSESS 1－5MW 脈沖加速器驅(qū)動的潔凈核能系統(tǒng)ADS20MW連續(xù)核廢物處理ATW 40MW 連續(xù)中微子工廠 2MW脈沖

子對撞機 4MW 脈沖中能強流加速器的技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢是將現(xiàn)有的強流加速器技術(shù)從當前的水平提高一到兩個數(shù)量級，以適應(yīng)各方面的需要。為達到這一目的，人們必須在優(yōu)質(zhì)束流產(chǎn)生，減小束流傳輸損失、增加加速器效率、提高加速器可使用率這幾方面作出巨大的努力。中能強流加速器不但要求離子源能夠提供50毫安以上甚至高達百毫安量級的束流，而且要求束流具有優(yōu)良的束流品質(zhì)，低發(fā)射度，高的質(zhì)子比美國的ATW2027年，ATW打算建成一臺全尺寸、滿功率演示裝置，其直線加速器的設(shè)計建造費估算為17.3億美元。

美國SNS散裂中子源裝置概圖：2006年建成ESS日本NSP/JHF聯(lián)合工程

-將建于原研東海村

韓國KOMAC工程散裂中子源SNSX射線的局限性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是自然科學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。X射線是用物質(zhì)的原子對它的散射來測定結(jié)構(gòu)的有力手段，幾乎每個物理和化學(xué)實驗室都有X射線衍射儀，但X射線僅對物質(zhì)的原子核外的電子云結(jié)構(gòu)敏感，即物質(zhì)原子對X射線的散射長度和它核外電子數(shù)（原子序數(shù)）成正比，因此X射線就有對測定輕元素原子位置不敏感（它的核外電子太少）、區(qū)分近鄰元素的能力弱（它們的核外電子數(shù)只差一，二個）、不能區(qū)分同位素（它們的核外電子數(shù)相同）等弱點。中子散射在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測方面中子散射有著不可替代的特長。它和物質(zhì)原子的彈性散射是中子和原子核的核力散射，這使物質(zhì)原子的中子散射長度和原子序數(shù)無關(guān)，因此中子散射可以靈敏地區(qū)分輕原子、近鄰元素的原子、同位素原子的位置。中子有自旋，中子射入物質(zhì)后，中子的自旋磁矩和磁性物質(zhì)的原子磁矩發(fā)生磁散射，使中子散射成為直接測定磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)的幾乎唯一的實驗工具。圖為分別利用X射線散射和中子散射得到的水的結(jié)構(gòu)圖。由此可以清楚地看到在物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測方面，中子散射與同步輻射是互補的大科學(xué)平臺。

反應(yīng)堆中子源核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定中子源，且