評(píng)判不同粒子束或射線治療腫瘤的有效程度是根據(jù)電離作用在人體內(nèi)的深度分布曲線，因?yàn)殡婋x作用結(jié)合相對(duì)生物效應(yīng)就表征了對(duì)癌細(xì)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(yīng)不同位置的病灶。目前看來(lái)，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(jìn)入人體的表層劑量較低，故如確知腫瘤位置，則通過對(duì)離子能量的控制（決定電離曲線峰值的位置）和流強(qiáng)的調(diào)制（決定電離峰值的大?。?，可以設(shè)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(tái)重離子醫(yī)用加速器（HIMAC），投資超過3億美元，這么高造價(jià)的治療裝置，顯然是難以推廣的。美國(guó)LOMALINDA醫(yī)院使用的質(zhì)子加速器，每年約可治療1000名患者，造價(jià)近5千萬(wàn)美元，可能較易推廣。
放射療法的一個(gè)重要發(fā)展，是從多個(gè)方向?qū)⑹骰蛏渚€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(bǔ)了非理想的劑量分布。γ刀、X刀就屬于這個(gè)范疇。從劑量分布的角度看，手術(shù)開腹時(shí)作一次性大劑量照射，殺死手術(shù)殘余的靠近重要器官的瘤細(xì)胞，可能會(huì)對(duì)療效有所改進(jìn)。放療的另一發(fā)展途徑是將含有對(duì)人體某器官有親附性的元素的化學(xué)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(duì)硼的吸收和硼對(duì)熱中子的吸收的“硼中子俘獲療法”，可以用質(zhì)子加速器的p-Li或p-Be反應(yīng)提供中子；另一種是“光子激活療法”。利用同步輻射加速器產(chǎn)生的X射線，激活注入體內(nèi)的藥物，在特定的部位發(fā)生作用。這時(shí)要求X射線能量與藥物的吸收譜線相近，故有足夠強(qiáng)度的準(zhǔn)單能X射線的產(chǎn)生成為重要的環(huán)節(jié)。
2．診斷應(yīng)用
自從放射性同位素廣泛用于醫(yī)學(xué)診斷（治療）以來(lái)，回旋加速器就成為主要的生產(chǎn)工具。目前世界上約有60臺(tái)能量為30Mev左右、流強(qiáng)為300微安左右的回旋加速器從事缺中子同位素生產(chǎn)。與研究使用的加速器不同，它們必須是緊湊、小型而且運(yùn)行方便，可靠性高，以便在醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)短壽命的同位素，如鉈-201、碘-123等。
回旋加速器應(yīng)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(fā)射斷層顯像，是采用發(fā)射正電子的短壽命核素標(biāo)記的藥物的方法。從體外動(dòng)態(tài)地觀測(cè)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(rèn)知活動(dòng)的獨(dú)特手段，目前世界上此項(xiàng)裝置已有100余臺(tái)，它包括回旋加速器或其它能生產(chǎn)發(fā)射正電子同位素的加速器、放射性藥物合成、分析系統(tǒng)以及正電子照相機(jī)。
（二）科研應(yīng)用
1．同步輻射裝置
當(dāng)高能量的電子在加速器中受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)而沿弧線運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生高亮度的廣譜電磁輻射。這種電子強(qiáng)烈的發(fā)光現(xiàn)象于1947年首先在美國(guó)通用電器公司的一臺(tái)同步加速器中被發(fā)現(xiàn)，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(lái)逐漸認(rèn)識(shí)到它在物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)、天文等學(xué)科的研究工作中具有廣泛的應(yīng)用，由此在世界范圍內(nèi)得到極大的發(fā)展，由寄生于高能物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展到專用裝置，又由一般專用裝置發(fā)展到以插入元件為主的高亮度裝置，迄今已經(jīng)經(jīng)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(tái)，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(guó)有與北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)兼用的第一代裝置，合肥的第二代裝置和臺(tái)灣的第三代裝置，目前正在考慮在上海建造一臺(tái)性能更為優(yōu)異的第三代設(shè)備供科技界進(jìn)行前沿研究之用。
同步輻射裝置無(wú)疑是加速器的重要應(yīng)用之一，因?yàn)榇蠹覍?duì)它比較熟悉，這里就不擬多談了。只想提一提一個(gè)極有發(fā)展前景的例子：即使用同步輻射進(jìn)行的微加工。它可以制造微型的電機(jī)、齒輪、傳感器、執(zhí)行器、手術(shù)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(guān)、微透膜等都已經(jīng)初步研制成功。將來(lái)很可能發(fā)展為一個(gè)重要的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
同步輻射在科研領(lǐng)域的應(yīng)用是多方面的，既有上述與實(shí)際生產(chǎn)有關(guān)的應(yīng)用，也有基礎(chǔ)研究的應(yīng)用。2003年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主的工作，就是使用同步輻射的結(jié)果。
2．自由電子激光裝置
自由電子激光是加速器產(chǎn)生的高能電子在極性交替變化的磁場(chǎng)中做扭擺運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的電磁輻射。它雖名為激光，但與常規(guī)的基于電子在原子、分子中能級(jí)躍遷而產(chǎn)生激光的工作原理完全不同，只是由于兩者產(chǎn)生的都是相干輻射，因而使用了“激光”這個(gè)名稱。
自由電子激光的工作物質(zhì)是高能子束，它攜帶巨大的能量，故具有產(chǎn)生極強(qiáng)的光輻射的潛力，而且波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，光束質(zhì)量?jī)?yōu)異。1977年自由電子激光振蕩器發(fā)明之后，曾被美國(guó)納入“戰(zhàn)略防御計(jì)劃”（俗稱“星球大戰(zhàn)”），耗資10余億美元，希望能達(dá)到破壞對(duì)方戰(zhàn)略導(dǎo)彈的目的；后來(lái)由于政治格局的變化和研制過程中遇到的巨大的技術(shù)困難，此計(jì)劃以失敗而中斷。不過，自由電子激光的非軍事應(yīng)用，卻在長(zhǎng)波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)兩個(gè)方向繼續(xù)發(fā)展，如大功率自由電子激光在化纖或其他化學(xué)工業(yè)方面的應(yīng)用，美國(guó)連續(xù)電子束加速器實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(xiàn)有光源10個(gè)數(shù)量級(jí)，稱為第四代光源。在美、德、日等國(guó)都在大力研究，勢(shì)將對(duì)科技發(fā)展起重要的推動(dòng)作用。
加速器的高能質(zhì)子打靶，經(jīng)散裂反應(yīng)可產(chǎn)生高強(qiáng)度的中子流，適用于較輕原子組成的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究，這種散裂中子源與同步輻射光源在多種學(xué)科的應(yīng)用是互補(bǔ)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(yè)應(yīng)用
加速器用于工業(yè)生產(chǎn)，以低能加速器和離子源為主，包括輻射加工、無(wú)損探傷、離子摻雜等方面。
輻射加工是通過加速器產(chǎn)生的電子束對(duì)高分子材料照射導(dǎo)致聚合物交聯(lián)，從而改善性能。電纜經(jīng)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(fù)原形的“記憶”，都有十分廣泛的應(yīng)用，我國(guó)已經(jīng)形成了年產(chǎn)值達(dá)10億元的產(chǎn)業(yè)。輻射還可縮短噴漆、彩印的固化時(shí)間，減少了貯存待干的廠房面積。藥品、手術(shù)器械和食品的消毒、滅菌、保鮮是輻照應(yīng)用的另一些方面。
使用電子加速器產(chǎn)生γ射線，用于大型機(jī)械鍛、鑄件中的無(wú)損探傷，已有幾十年的歷史。近年一個(gè)有意義的發(fā)展是將加速器與核物理探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)集裝箱進(jìn)行不必開箱的透視檢查。此裝置已由清華大學(xué)研制成功，它對(duì)進(jìn)出口貿(mào)易頻繁的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家的海關(guān)，顯然是一個(gè)必要的設(shè)施（圖5）。
使用離子源產(chǎn)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(jīng)得到了應(yīng)用。使用回旋加速器將金屬或陶瓷等機(jī)械零件的表面薄層活化，再根據(jù)放射性產(chǎn)生的γ射線，測(cè)量其磨損情況，這是檢驗(yàn)各種耐磨措施（如用離子注入提高硬度）的有效方法。
傳統(tǒng)的中子探傷是使用反應(yīng)堆進(jìn)行的，如渦輪葉片、核燃料、爆炸物等的探測(cè)。近年發(fā)展起來(lái)的一種小型RFQ加速器，可把質(zhì)子或氘加速到幾個(gè)MeV，用以轟擊鈹靶，就可制成可移動(dòng)式的強(qiáng)中子源。電子束焊接一般需在真空中進(jìn)行，如果采用1MeV左右的小型電子加速器進(jìn)行深層焊接，就不需要將被焊物體放在真空室內(nèi)，而可以大大加快操作的速度。
（四）能源應(yīng)用
1．裂變反應(yīng)堆
利用裂變反應(yīng)發(fā)電（核電站）已是一些國(guó)家的主要發(fā)電設(shè)施，也是解決人類未來(lái)能源的一個(gè)重要途徑。目前世界已有1/5的電能來(lái)自核電，我國(guó)大陸也有秦山和大亞灣兩座核電站在運(yùn)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(zhǎng)壽命的高放廢料半衰期有的長(zhǎng)達(dá)億年，如何處理就構(gòu)成一個(gè)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(gè)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(xiàn)在的核電站多以235U為燃料，它只占天然鈾資源的0.7％，長(zhǎng)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(duì)以上核電的問題，日本、前蘇聯(lián)和美國(guó)很早就提出了使用加速器驅(qū)動(dòng)嬗變技術(shù)（ADTT）的方案，它可將高放長(zhǎng)壽命廢料轉(zhuǎn)化為短半衰期或根本無(wú)放射性的廢料。這些方案的主要思路是利用強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器（約1GeV能量，100ma流強(qiáng)）的質(zhì)子束轟擊周圍有裂變的物質(zhì)的液態(tài)鉛靶，產(chǎn)生的中子經(jīng)慢化、倍增后，與經(jīng)過適當(dāng)處理的循環(huán)流動(dòng)的核燃料及裂變產(chǎn)物相作用。圖6是這個(gè)方案的示意圖。
ADTT方案可用釷發(fā)電，同時(shí)燃燒核廢料，若設(shè)計(jì)為次臨界狀態(tài)，則因加速器可以瞬時(shí)停止，故整個(gè)裝置比較安全可靠。它發(fā)出的電能約有20%供加速器運(yùn)行，而其余的80%則可并入電網(wǎng)使用。
當(dāng)然，它也有它的問題：首先是強(qiáng)流加速器的技術(shù)困難，它的束流損失必須極?。s為每米納安的量級(jí)），不然會(huì)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(jìn)步，技術(shù)問題可以克服，投資要求也會(huì)下降，這種干凈、安全的電站是遲早會(huì)出現(xiàn)的。
2．聚變反應(yīng)堆
核聚變反應(yīng)可以釋放能量一事，約在80年前就被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了。例如氫的同位素氘氚聚變，就可產(chǎn)生氦核和中子，同時(shí)放出17.6MeV的能量，而氚又可由氘產(chǎn)生。氘在海水中有豐富的蘊(yùn)量，作為聚變能源的燃料，估計(jì)可供109年之用。聚變反應(yīng)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(yīng)堆發(fā)電目前正在沿著兩條可能的技術(shù)路線發(fā)展：一是磁約束，一是慣性約束。哪個(gè)更為易于實(shí)現(xiàn)，目前尚無(wú)定論，但兩者都與加速器有關(guān)。
對(duì)磁約束裝置而言，托卡馬克型的閉合環(huán)形等離子體裝置占有重要的位置，它的運(yùn)行參數(shù)已接近建堆的要求，裝置中的等離子體需要射頻電磁場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電流及填充燃料，基于加速器離子源技術(shù)的中性束注入器，也在一個(gè)裝置中取得圓滿的結(jié)果。
對(duì)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(diǎn)燃。目前激光驅(qū)動(dòng)最為常用，一般使用釹玻璃激光器。但到正式建堆時(shí)，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(jìn)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(chǎn)生的離子束轟擊靶球的慣性約束聚變裝置有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，就是效率高，重復(fù)頻率高，并可長(zhǎng)時(shí)間使用。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者魯比亞曾提出了一個(gè)使用重離子加速器和自由電子激光結(jié)合的系統(tǒng)方案。
不論最后聚變反應(yīng)堆發(fā)電采用哪種方案，當(dāng)前有一個(gè)共同的亟待解決的問題就是能耐強(qiáng)烈中子轟擊的建堆材料的研究。目前國(guó)際上正在考慮建造作為強(qiáng)中子源的聚變堆材料試驗(yàn)加速器，來(lái)檢驗(yàn)各種材料的性能。
（五）應(yīng)用
1．閃光照像
使用能量為幾十兆電子伏、流強(qiáng)為幾個(gè)千安、脈寬為幾十納秒的感應(yīng)電子直線加速器的聚焦電子束產(chǎn)生極強(qiáng)的X光，可進(jìn)行核武器內(nèi)爆系統(tǒng)的流體動(dòng)力學(xué)及有關(guān)的瞬態(tài)過程的試驗(yàn)，美國(guó)已建造三代這樣的裝置，即PHERMEX，F(xiàn)XR及DARHT。
2．電子學(xué)加固和輻射劑量校準(zhǔn)
電子直線加速器產(chǎn)生的束流打靶產(chǎn)生的γ射線，可模擬核爆的輻射，用以研究電子學(xué)器件的輻射加固或劑量?jī)x器的校準(zhǔn)。
3．無(wú)損探傷
為了檢查導(dǎo)彈內(nèi)部，特別是使用固體燃料時(shí)燃料位置的縫隙，已經(jīng)研制成裝在汽車上的電子直線加速器，以便在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)。
4．核實(shí)驗(yàn)?zāi)M
核武器改進(jìn)和檢查，除地下核試外，可在實(shí)驗(yàn)室建立慣性聚變反應(yīng)研究裝置，產(chǎn)生微型熱核爆炸，在參考實(shí)際核試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，就可以相當(dāng)可靠地模擬核爆過程，改進(jìn)性能，了解狀態(tài)。
（六）環(huán)保應(yīng)用
前蘇聯(lián)新西伯利亞核物理研究所曾生產(chǎn)過大約120臺(tái)電子加速器供國(guó)內(nèi)外應(yīng)用，其中包括下水道廢水處理和電廠排煙的凈化應(yīng)用。在當(dāng)前人類面臨嚴(yán)重缺水的情況下，將廢水處理后合理使用，顯然是應(yīng)該認(rèn)真考慮的措施。燃煤電廠的廢氣中含有SO2，NOx，HCl，HF等，造成嚴(yán)重污染，在日本、美國(guó)、德國(guó)、波蘭、俄羅斯都在研究使用加速器的電子束進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果表明在多種處理技術(shù)方案中，電子束法是很有競(jìng)爭(zhēng)力的。我國(guó)成都電廠考慮興建一個(gè)規(guī)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(yàn)研究之中，原理是通過射解形成自由基，而自由基對(duì)拆裂化學(xué)鍵是十分有效的。
（七）加速器應(yīng)用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益
討論加速器應(yīng)用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，是一個(gè)復(fù)雜的問題，因?yàn)橛行┥鐣?huì)效益是不能以數(shù)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(tǒng)計(jì)。不過有一點(diǎn)是肯定的，就是加速器的非核應(yīng)用，已給社會(huì)帶來(lái)了十分巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
就上面提到的6個(gè)方面應(yīng)用而言，經(jīng)濟(jì)效益卻難以度量。同樣，關(guān)于醫(yī)療應(yīng)用，人的生命是無(wú)價(jià)的，又怎樣用經(jīng)濟(jì)效益來(lái)表達(dá)呢？國(guó)外曾有人根據(jù)放療患者平均工作壽命的延長(zhǎng)，再參考其增加的產(chǎn)值來(lái)估算放療的經(jīng)濟(jì)效益，這個(gè)數(shù)字是十分驚人的，但也只能供參考而已。
加速器的科研應(yīng)用（包括核與非核）產(chǎn)生了新的學(xué)科分支（如同步輻射、自由電子激光等）和帶動(dòng)各種科技的發(fā)展，其結(jié)果當(dāng)然是伴隨著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。世界上功率最大的速調(diào)管、規(guī)模最大的超導(dǎo)致冷系統(tǒng)、體積最大的超高真空系統(tǒng)、能產(chǎn)生最高磁場(chǎng)的超導(dǎo)體等等，都是因研制加速器而出現(xiàn)的。僅以超導(dǎo)體而言，目前世界產(chǎn)值已達(dá)35億美元之巨。
西歐核子中心曾對(duì)160家承擔(dān)高能加速及實(shí)驗(yàn)設(shè)施的高技術(shù)工廠（包括電子、電器、真空、焊接、精密機(jī)械、光學(xué)儀器、計(jì)算機(jī)等）進(jìn)行過調(diào)查，把由于承擔(dān)任務(wù)而導(dǎo)致的營(yíng)業(yè)額的增加和成本的減少與合同金額的比數(shù)稱為效益，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該表示扣除成本后同一產(chǎn)品應(yīng)用加速器技術(shù)之后與應(yīng)用之前的產(chǎn)值的差異，譬如一種規(guī)格的電纜輻照改性前后價(jià)格是不同的，機(jī)械工具硬化處理前后價(jià)值也是不同的。這些方面的數(shù)據(jù)，仍有待于收集和整理。
五、結(jié)語(yǔ)
從上面遠(yuǎn)非全面的介紹，可以看出加速器在非核領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用，而且許多應(yīng)用還在發(fā)展之中，有些則已經(jīng)形成相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。就醫(yī)療應(yīng)用而言，世界上醫(yī)用電子直線加速器現(xiàn)有2000～3000臺(tái)；生產(chǎn)同位素和正電子發(fā)射斷層顯像的回旋加速器約有200臺(tái)，制造這些加速器的工廠、大學(xué)、研究所僅在國(guó)內(nèi)就有近10個(gè)。如果沒有經(jīng)濟(jì)效益的話，這種情況是不會(huì)出現(xiàn)的。中科院高能物理研究所由于研制北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）建立的設(shè)備與取得的經(jīng)驗(yàn)，而能向世界幾個(gè)國(guó)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(jīng)濟(jì)效益?？梢灶A(yù)言，隨著非核領(lǐng)域加速器的進(jìn)一步應(yīng)用，它必將為人民保健、國(guó)家安全、科技進(jìn)步、工業(yè)生產(chǎn)做出更大的貢獻(xiàn)，有力地推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。
摘自：共同走向科學(xué)－百名院士科技系列報(bào)告集（上）
（謝家麟先生于2003年12月1日在該篇文章的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)階段形勢(shì)的發(fā)展作了必要地修改和補(bǔ)充）
