粒子加速的应用

应用加速产生的电子束或X射线进行辐照加工已成为化工、电力、食品、环保等行业生产的重要手段和工艺，是一种新的加工技术工艺。它广泛应用于聚合物交联改性、涂层固化、聚乙烯发泡、热收缩材料、半导体改性、木材-塑料复合材料制备、食品的灭菌保鲜、烟气辐照脱硫脱硝等加工过程。

经辐照生产的产品具有许多优良的特点，例如：辐照交联聚乙烯电缆经105Gy剂量辐照后，其电学性能、热性能都有很大提高，使用温度辐照前为60~70℃，辐照后长期使用温度可达120℃以上。，我国已有用加速进行辐照加工的生产线200多条。 无损检测就是在不损伤和不破坏材料、制品或构件的情况下，就能检测出它们内部的情况，判别内部有无缺陷。现代无损检测的方法很多，例如：超声波探伤法、涡流探伤法、荧光探伤法及射线检测法等。射线检测法即可检查工件表面又可检查工件内部的缺陷。设备可以采用放射性同位素Co60产生的γ射线、X光机产生的低能X射线和电子加速产生的高能X射线。尤其是探伤加速的穿透本领和灵敏度高，作为一种最终检查手段或其它探伤方法的验证手段及在质量控制中，在大型铸锻焊件、大型压力容器、反应堆压力壳、火箭的固体燃料等工件的缺陷检验中得到广泛的应用。这种探伤加速以电子直线加速为主要机型。

射线检测的方法根据对透过工件的射线接受和处理方法的不同，又可把射线检测法分为三种：

a、射线照相法

这种方法与我们体检时拍X光胶片相似，射线接受器是X光胶片。探伤时，将装有X光胶片的胶片盒紧靠在被检工件背后，用X射线对工件照射后，透过工件的射线使胶片感光，同时工件内部的真实情况就反映到胶片的乳胶上，对感光后的胶片进行处理后，就可以清楚地了解工件有无缺陷以及缺陷的种类、位置、形状和大小。

b、辐射成像法

这种方法的射线接受器是阵列探测器或荧光增感屏。前者就是清华大学和清华同方共同研制生产的大型集装箱检查系列产品。后者就是用于机场、铁路的行李、包裹的X射线安检系统，也可用于工业的无损检测。这种方法配以图像处理系统可以在线实时显示物品内部的真实情况。

c、工业CT

与医用CT原理类似，CT技术即计算机辅助层析成像技术。选用加速作为X射线源的CT技术是一种先进的无损检测手段，主要针对大型固体火箭发动机和精密工件的检测而发展起来。它的密度分辨率可达0.1%，比常规射线技术高一个数量级。在航天、航空、兵器、汽车制造等领域精密工件的缺陷检测、尺寸测量、装配结构分析等方面有重要的应用价值。 利用加速将一定能量的离子注入到固体材料的表层，可以获得良好的物理、化学及电学性能。半导体器件、金属材料改性和大规模集成电路生产都应用了离子注入技术。我国现拥有各类离子注入机100多台。其中我国自己累计生产出140多台离子注入机，能量为150KeV~600KeV（1KeV=1×103eV），流强为0.5mA到十几mA。

1.2 低能加速在农业中的应用

作为核技术应用装备的加速在农业上的应用，在一些国家普遍使用已有明显经济效益的主要有三方面：

1)辐照育种

加速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。

2)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。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。

3)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。因而利用加速进行农产品、食品等辐照杀虫、灭菌得以迅速发展。利用加速产生的高能电子或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。 随着科学技术的进步，人民生活和质量的提高，人们对医疗卫生条件提出了更高的要求。而加速在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长。目前，加速在医疗卫生方面的应用主要有三个方面，即放射治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒。

1) 放射治疗

用于恶性肿瘤放射治疗（简称放疗）的医用加速是当今世界范围内，在加速的各种应用领域中数量最大、技术最为成熟的一种。

用于放疗的加速由50年代的感应加速，到60年代发展了医用电子回旋加速，进入70年代医用电子直线加速逐步占据了主导地位。，世界上约有3000多台医用电子直线加速装备在世界各地的医院里。

除了应用加速产生的电子线、X射线进行放疗外，还可应用加速进行质子放疗、中子放疗、重离子放疗和π介子放疗等，这些治癌方法还处在实验阶段，实验的结果表明，疗效显着。但这些加速比电子直线加速能量高得多，结构复杂得多，价格昂贵得多，尚未普及。

利用电子直线加速开展立体定向放疗，俗称X—刀，发展的新的放疗技术。这种技术与常规放疗相比，可多保护15%~20%的正常组织，而肿瘤增加20%~40%的剂量，可更有效地杀灭癌细胞，从而增加放疗疗效。

60年代我国医院装备了医用感应加速，70年代中期医用电子直线加速开始装备我国各地医院。截止到2000年初，我国已拥有各种能量的医用加速约530台，其中国产医用加速约250台，进口医用加速约300台。 现代核医学 广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤，已确定为临床应用的约80种同位素，其中有2/3是由加速生产的，尤其是缺中子短寿命同位素只能由加速生产。这些短寿命同位素主要应用在以下方面：

a、正电子与单光子发射计算机断层扫描—PET与SPECT

PET是由病人先吸入或预先注射半衰期极短的发射正电子的放射性核素，通过环形安置的探测器从各个角度检测这些放射性核素发射正电子及湮灭时发射的光子，由计算机处理后重建出切面组织的图像。而这些短寿命的放射性核素是由小回旋加速制备的。最短的半衰期核素如15O仅为123秒，一般为几分钟到1小时左右。所以，这种加速一般装备在使用PET的医院里。生产PET专用短寿命的放射性核素的小回旋加速，吸引了众多的加速生产厂开发研制。，国外几个加速生产厂家生产的小回旋加速已达到几十台。

b、图像获取

利用放射性核素进行闪烁扫描或利用γ照相获取图像的方法，可以诊断肿瘤、检查人体脏器和研究它们的生理生化功能和代谢状况，获取动态资料。例如201Tl用于心肌检查，对早期发现冠心病和心肌梗塞的定位等是最灵敏的检查手段。而这些放射性核素绝大部分也是由加速生产的。 利用加速对医用器械、一次性医用物品、疫苗、抗生素、中成药等的灭菌消毒是加速在医疗卫生方面应用的一个有广阔前途的方向。与前面介绍加速在食品中的杀虫、灭菌道理一样，可取代应用的高温消毒、化学消毒等方法。但灭菌需要的射线剂量要大于杀虫所需的剂量。

粒子加速（particle accelerator）是用人工方法产生高速带电粒子的装置。日常生活中常见的粒子加速有用於电视的阴极射线管及X光管等设施。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。自E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为10^14电子伏特（ eV ）的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速，性能不断提高。在生活中，电视和X光设施等都是小型的粒子加速。

应用粒子加速发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来,从而建立粒子物理学。近20多年来，加速的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究，它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展；其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速。

锗、硅、硒、砷化镓及许多金属氧化物和金属硫化物等物体，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，叫做半导体。

半导体具有一些特殊性质。如利用半导体的电阻率与温度的关系可制成自动控制用的热敏元件（热敏电阻）；利用它的光敏特性可制成自动控制用的光敏元件，像光电池、光电管和光敏电阻等。

半导体还有一个最重要的性质，如果在纯净的半导体物质中适当地掺入微量杂质测其导电能力将会成百万倍地增加。利用这一特性可制造各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管等。

把一块半导体的一边制成P型区，另一边制成N型区，则在交界处附近形成一个具有特殊性能的薄层，一般称此薄层为PN结。图中上部分为P型半导体和N型半导体界面两边载流子的扩散作用（用黑色箭头表示）。中间部分为PN结的形成过程，示意载流子的扩散作用大于漂移作用（用蓝色箭头表示，红色箭头表示内建电场的方向）。下边部分为PN结的形成。表示扩散作用和漂移作用的动态平衡。

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