物理學(xué)家用粒子加速器來(lái)回答基礎(chǔ)物理學(xué)的問(wèn)題——宇宙是怎么來(lái)的，為什么物體具有質(zhì)量等。很多粒子加速器個(gè)頭巨大，在芝加哥附近的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室里的萬(wàn)億電子伏加速器Tevatron的周長(zhǎng)有六公里，而日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC則還要再大四倍，并且，它們都非常昂貴。

在某些方面，它們是純研究用儀器的典范。但是，如果你覺(jué)得這些機(jī)器在研究之外一無(wú)是處的話(huà)，你就out了。

早在幾十年前，粒子加速器就逐漸走出實(shí)驗(yàn)室、滲入到了工業(yè)界，而且科學(xué)家們還在不斷設(shè)想新的應(yīng)用方式。下面，就是美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主任羅伯特·柯法特及其同事講述的10個(gè)少有人知的粒子加速器的應(yīng)用。

加速器用電磁力加速帶電粒子，所得的粒子束可以沿設(shè)定的方向運(yùn)動(dòng)——就算它們離開(kāi)了加速器也一樣。當(dāng)帶電粒子經(jīng)過(guò)一個(gè)原子，它可以同這個(gè)原子中的電子相互作用，把它們從原先的軌道中踢走，同時(shí)破壞掉化學(xué)鍵。

這樣，某些化合物會(huì)分解掉，有些則會(huì)發(fā)生聚合。后者是粒子加速器被應(yīng)用到工業(yè)界最早的例子，這項(xiàng)應(yīng)用至少可以追溯到20世紀(jì)80年代：給薯片袋子和牛奶盒子封口。薯片袋子由兩層用膠水粘在一起的鋁箔制成。這種膠水在工業(yè)傳送帶上需要很長(zhǎng)時(shí)間才能干——但電子束可以讓這一切瞬間發(fā)生，讓膠水迅速聚合。

每年都有數(shù)百萬(wàn)立方英尺的天然氣被燃掉或被排掉而沒(méi)有被傳送到市場(chǎng)，這造成了大量污染和浪費(fèi)。根據(jù)美國(guó)西部?jī)r(jià)值項(xiàng)目估計(jì)，2013年美國(guó)浪費(fèi)的天然氣足夠支持洛杉磯或者芝加哥全年用度。

在回收利用天然氣方面，化學(xué)反應(yīng)可將天然氣轉(zhuǎn)化成液態(tài)烴或者石油，但這個(gè)過(guò)程要求很高的溫度和壓力，只有大工廠才能實(shí)現(xiàn)。加速器則可通過(guò)用電子束打破碳?xì)滏I的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)，從而使得天然氣重新結(jié)合成鏈狀聚合物。這個(gè)過(guò)程在理論上是可以奏效的，但目前仍停留在設(shè)想階段——還沒(méi)有建成的原型。

如果你看見(jiàn)包裝袋上有這個(gè)叫做“Radura”的標(biāo)志，則說(shuō)明該食物已接受過(guò)電子束的輻照滅菌。超過(guò)40個(gè)國(guó)家利用這項(xiàng)技術(shù)殺死蘋(píng)果、草莓、菠菜等產(chǎn)品中的沙門(mén)氏菌或大腸桿菌等微生物。這種通過(guò)粒子加速器產(chǎn)生的電子束經(jīng)校正后可以摧毀病原體，但是不會(huì)影響產(chǎn)品本身。

分子越復(fù)雜，越容易被電子束打碎——細(xì)菌的DNA要比植物的DNA更復(fù)雜，所以它們會(huì)先被分解掉。不像意外核事故產(chǎn)生的放射性同位素，這種電子束完全在人們掌控之中，并且，也不像質(zhì)子或中子那樣破壞原子核。“當(dāng)你關(guān)掉開(kāi)關(guān)，所有的放射都停止了?！绷_伯特說(shuō)。同樣地，電子束還被用在輻照滅菌器中，為醫(yī)用器具消毒。

燃燒煤炭會(huì)產(chǎn)生諸如氮氧化物和硫氧化物的煙道氣體，這些氣體會(huì)同大氣中的水反應(yīng)，生成硫酸或硝酸，最終以有毒酸雨的形式澆在地球上。但是如果這些氧化物與氨氣混合后并接受電子束的放射，它們可以轉(zhuǎn)化成硫酸銨和硝酸銨，也就是普通的肥料。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的粉塵狀顆?？梢杂渺o電式分離器或者離心式分離器收集，然后施到田里面。

這個(gè)方法能讓燃煤更符合環(huán)保要求。目前，位于加拿大英屬哥倫比亞的PAVAC公司正致力于率先建成這項(xiàng)技術(shù)。

粒子加速器還可以用來(lái)清理污泥，它可以清除引發(fā)藻類(lèi)大量繁殖的氮和磷以及那些對(duì)魚(yú)類(lèi)有害的激素和抗生素。用電子束照射污泥可以分解里面的藥物，把它們變成無(wú)害的化合物。電子射線(xiàn)還可以將水離子化，產(chǎn)生H3O和OH的自由基，創(chuàng)造非常利于氧化還原反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境。這種方法同樣可以把復(fù)雜的藥物化合物分解成基本元素，同時(shí)殺死病原體。

上世紀(jì)90年代初，美國(guó)邁阿密建造了一座利用加速器清理城市垃圾的試驗(yàn)性工廠。但由于購(gòu)買(mǎi)處理城市垃圾的垃圾場(chǎng)需要完整（配套）的系統(tǒng)，這座工廠目前尚未進(jìn)入商業(yè)推廣階段。

分解分子和摧毀病原體的DNA并不是加速器的唯一絕招——它們還可以用來(lái)構(gòu)造新的材料。

計(jì)算機(jī)芯片生產(chǎn)依賴(lài)一項(xiàng)稱(chēng)為“摻雜”的技術(shù)，其中硼和磷離子是用加速器注入到硅層中的。這些離子帶正電，所以加速器可以利用電磁場(chǎng)控制這些離子束的方向。然后這些離子穿透硅晶片的表面并被放置在內(nèi)部的精確位置，這樣就會(huì)改變材料的導(dǎo)電性。

電子束并不是可以用來(lái)殺死有害生物的唯一帶電粒子，質(zhì)子也可以消滅腫瘤，適合用于放療，因?yàn)樗鼈儽入娮拥拇┩噶Ω鼜?qiáng)。它們?cè)诖┩附M織的過(guò)程中造成很小傷害，但它停下來(lái)的時(shí)候就足以殺死細(xì)胞。

質(zhì)子在路程終點(diǎn)會(huì)失去大部分能量并造成最大傷害，這讓科學(xué)家可以通過(guò)調(diào)整加速器，將破壞力釋放到腫瘤的精確位置。這個(gè)概念在1946年由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的第一任主任羅伯特·威爾遜提出。將近半個(gè)世紀(jì)后的1990年，第一個(gè)醫(yī)用質(zhì)子束加速器在羅馬林達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心開(kāi)始運(yùn)作，至今已有超過(guò)17000位病人在這里接受了質(zhì)子治療。

傳統(tǒng)核反應(yīng)堆是臨界反應(yīng)堆——它們會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的中子，需要由控制棒吸收調(diào)節(jié)。問(wèn)題是控制棒可能會(huì)因機(jī)械問(wèn)題出故障，造成反應(yīng)失控。加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)可以直接控制中子的供應(yīng)，而無(wú)需等中子過(guò)量之后再想辦法消耗。

在加速器驅(qū)動(dòng)的原子反應(yīng)堆中，質(zhì)子束撞擊重靶核（鉛或者水銀）來(lái)產(chǎn)生“中子噴泉”，然后再利用這些中子驅(qū)動(dòng)核裂變，這種設(shè)計(jì)很安全，因?yàn)楫?dāng)你關(guān)掉加速器時(shí)，核反應(yīng)就停止了。加速器反應(yīng)堆還可將現(xiàn)存的核廢料分解轉(zhuǎn)化成短壽命同位素。目前，歐洲、印度和中國(guó)都在研發(fā)這種反應(yīng)堆。

便攜式中子發(fā)生器（中子管）可通過(guò)一種叫做中子測(cè)井的技術(shù)勘測(cè)石油、天然氣或水資源。在勘探過(guò)程中，中子放到勘探鉆井中。當(dāng)加速器產(chǎn)生的中子穿過(guò)鉆井周?chē)耐恋貢r(shí)，它們同各種原料的原子核發(fā)生反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的伽馬射線(xiàn)可以利用伽馬射線(xiàn)探測(cè)器檢測(cè)到，這些信號(hào)的強(qiáng)度反應(yīng)了地下材料的類(lèi)型。

μ介子加速器可以讓我們真的穿墻而“看”。μ介子是一種同電子相似的亞原子，但它的質(zhì)量大得多，可以輕易地穿過(guò)厚重的金屬墻壁和容器，但它會(huì)同核材料發(fā)生反應(yīng)。如果一輛卡車(chē)?yán)镅b有隱蔽的裂變材料，發(fā)出的μ介子穿過(guò)卡車(chē)可以產(chǎn)生出高能的伽馬射線(xiàn)從而被檢測(cè)到。

這使得μ介子加速器成為識(shí)別核威脅的寶貴工具。舉個(gè)例子，直升機(jī)可攜帶μ介子加速器飛過(guò)水面，同時(shí)向船只發(fā)射μ介子射線(xiàn)，然后就能知道在船上是否有某些特定的核武器。（來(lái)源：果殼網(wǎng) 責(zé)任編輯/余風(fēng)）