没有粒子加速器，就活不下去

物理学家用粒子加速器来回答基础物理学的问题——宇宙是怎么来的，为什么物体具有质量等。很多粒子加速器个头巨大，在芝加哥附近的费米实验室里的万亿电子伏加速器Tevatron的周长有六公里，而日内瓦的大型强子对撞机LHC则还要再大四倍，并且，它们都非常昂贵。

在某些方面，它们是纯研究用仪器的典范。但是，如果你觉得这些机器在研究之外一无是处的话，你就out了。

早在几十年前，粒子加速器就逐渐走出实验室、渗入到了工业界，而且科学家们还在不断设想新的应用方式。下面，就是美国费米实验室主任罗伯特·柯法特及其同事讲述的10个少有人知的粒子加速器的应用。

加速器用电磁力加速带电粒子，所得的粒子束可以沿设定的方向运动——就算它们离开了加速器也一样。当带电粒子经过一个原子，它可以同这个原子中的电子相互作用，把它们从原先的轨道中踢走，同时破坏掉化学键。

这样，某些化合物会分解掉，有些则会发生聚合。后者是粒子加速器被应用到工业界最早的例子，这项应用至少可以追溯到20世纪80年代：给薯片袋子和牛奶盒子封口。薯片袋子由两层用胶水粘在一起的铝箔制成。这种胶水在工业传送带上需要很长时间才能干——但电子束可以让这一切瞬间发生，让胶水迅速聚合。

每年都有数百万立方英尺的天然气被燃掉或被排掉而没有被传送到市场，这造成了大量污染和浪费。根据美国西部价值项目估计，2013年美国浪费的天然气足够支持洛杉矶或者芝加哥全年用度。

在回收利用天然气方面，化学反应可将天然气转化成液态烃或者石油，但这个过程要求很高的温度和压力，只有大工厂才能实现。加速器则可通过用电子束打破碳氢键的方法来实现同样的目标，从而使得天然气重新结合成链状聚合物。这个过程在理论上是可以奏效的，但目前仍停留在设想阶段——还没有建成的原型。

如果你看见包装袋上有这个叫做“Radura”的标志，则说明该食物已接受过电子束的辐照灭菌。超过40个国家利用这项技术杀死苹果、草莓、菠菜等产品中的沙门氏菌或大肠杆菌等微生物。这种通过粒子加速器产生的电子束经校正后可以摧毁病原体，但是不会影响产品本身。

分子越复杂，越容易被电子束打碎——细菌的DNA要比植物的DNA更复杂，所以它们会先被分解掉。不像意外核事故产生的放射性同位素，这种电子束完全在人们掌控之中，并且，也不像质子或中子那样破坏原子核。“当你关掉开关，所有的放射都停止了。”罗伯特说。同样地，电子束还被用在辐照灭菌器中，为医用器具消毒。

燃烧煤炭会产生诸如氮氧化物和硫氧化物的烟道气体，这些气体会同大气中的水反应，生成硫酸或硝酸，最终以有毒酸雨的形式浇在地球上。但是如果这些氧化物与氨气混合后并接受电子束的放射，它们可以转化成硫酸铵和硝酸铵，也就是普通的肥料。这个过程产生的粉尘状颗粒可以用静电式分离器或者离心式分离器收集，然后施到田里面。

这个方法能让燃煤更符合环保要求。目前，位于加拿大英属哥伦比亚的PAVAC公司正致力于率先建成这项技术。

粒子加速器还可以用来清理污泥，它可以清除引发藻类大量繁殖的氮和磷以及那些对鱼类有害的激素和抗生素。用电子束照射污泥可以分解里面的药物，把它们变成无害的化合物。电子射线还可以将水离子化，产生H3O和OH的自由基，创造非常利于氧化还原反应发生的环境。这种方法同样可以把复杂的药物化合物分解成基本元素，同时杀死病原体。

上世纪90年代初，美国迈阿密建造了一座利用加速器清理城市垃圾的试验性工厂。但由于购买处理城市垃圾的垃圾场需要完整（配套）的系统，这座工厂目前尚未进入商业推广阶段。

分解分子和摧毁病原体的DNA并不是加速器的唯一绝招——它们还可以用来构造新的材料。

计算机芯片生产依赖一项称为“掺杂”的技术，其中硼和磷离子是用加速器注入到硅层中的。这些离子带正电，所以加速器可以利用电磁场控制这些离子束的方向。然后这些离子穿透硅晶片的表面并被放置在内部的精确位置，这样就会改变材料的导电性。

电子束并不是可以用来杀死有害生物的唯一带电粒子，质子也可以消灭肿瘤，适合用于放疗，因为它们比电子的穿透力更强。它们在穿透组织的过程中造成很小伤害，但它停下来的时候就足以杀死细胞。

质子在路程终点会失去大部分能量并造成最大伤害，这让科学家可以通过调整加速器，将破坏力释放到肿瘤的精确位置。这个概念在1946年由费米实验室的第一任主任罗伯特·威尔逊提出。将近半个世纪后的1990年，第一个医用质子束加速器在罗马林达大学医学中心开始运作，至今已有超过17000位病人在这里接受了质子治疗。

传统核反应堆是临界反应堆——它们会产生过量的中子，需要由控制棒吸收调节。问题是控制棒可能会因机械问题出故障，造成反应失控。加速器驱动的次临界系统可以直接控制中子的供应，而无需等中子过量之后再想办法消耗。

在加速器驱动的原子反应堆中，质子束撞击重靶核（铅或者水银）来产生“中子喷泉”，然后再利用这些中子驱动核裂变，这种设计很安全，因为当你关掉加速器时，核反应就停止了。加速器反应堆还可将现存的核废料分解转化成短寿命同位素。目前，欧洲、印度和中国都在研发这种反应堆。

便携式中子发生器（中子管）可通过一种叫做中子测井的技术勘测石油、天然气或水资源。在勘探过程中，中子放到勘探钻井中。当加速器产生的中子穿过钻井周围的土地时，它们同各种原料的原子核发生反应。这个过程产生的伽马射线可以利用伽马射线探测器检测到，这些信号的强度反应了地下材料的类型。

μ介子加速器可以让我们真的穿墙而“看”。μ介子是一种同电子相似的亚原子，但它的质量大得多，可以轻易地穿过厚重的金属墙壁和容器，但它会同核材料发生反应。如果一辆卡车里装有隐蔽的裂变材料，发出的μ介子穿过卡车可以产生出高能的伽马射线从而被检测到。

这使得μ介子加速器成为识别核威胁的宝贵工具。举个例子，直升机可携带μ介子加速器飞过水面，同时向船只发射μ介子射线，然后就能知道在船上是否有某些特定的核武器。（来源：果壳网 责任编辑/余风）