走近粒子加速器

王鹏飞孔德泰

2019-11-25 14:18:19　来源：经济日报

　　欧洲核子研究中心的“Linac 4”线性加速器为该机构包括大型强子对撞机LHC在内的加速器组合注入更高能量的离子束，帮助LHC实现更高亮度。（新华社发）

　　黑洞首张照片的发布，在全球范围内引起巨大轰动。“黑洞是什么？黑洞里面有什么？我们可不可以制造一个人工黑洞？”对于前两个问题，目前在科学研究领域存在许多争议。但是，关于“制造”人工黑洞这个问题，借助一种科学装置，也许我们可以在实验室中将其实现——这种科学装置就是粒子加速器。

　　粒子加速器全名为“荷电粒子加速器”，是一种可以使带电粒子在高真空环境中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置，也是为人类提供各种能量的粒子束或辐射线，如电子、质子、氘核、α粒子、各种重离子以及其他一些微观粒子的现代化装备。

　　根据加速粒子种类的不同，粒子加速器可分为电子加速器、质子和重离子加速器以及微物质粒子，如粉末、灰尘等加速器（又称微粒子团加速器）；根据加速粒子能量高低，粒子加速器可分为低能加速器、中能加速器、高能加速器以及超高能加速器；根据加速粒子运动轨道的形状不同，粒子加速器又可分为直线加速器、回旋加速器和环形加速器。

　　世界上著名的欧洲大型强子对撞机LHC就是一个超高能、环形粒子加速器，可以将质子加速到极接近光速的超高能状态。在LHC中，当两个极接近光速的质子发生“碰撞”时，就有机会制造出微型的人工黑洞。因此，LHC被称为潜在的“黑洞加工厂”。此外，科学家在2012年借助LHC发现了“上帝粒子”——希格斯玻色子，在补上了粒子物理学“标准模型”最后一块板的同时，极大推动了物理学的进步。

　　事实上，作为一种重要且安全的核技术应用装置，除了“制造”黑洞，粒子加速器在工业、农业、医学、环保、科学研究等多个领域有着广泛应用。

　　在工业领域，粒子加速器已经成为推进新材料、新技术、新工艺、新设备研发和应用的重要工具和手段。例如，基于电子加速器开发的辐照交联、辐照聚合、辐照接枝等辐照加工技术可以改性高分子材料，并显著提高材料的多项性能。而基于电子加速器可以产生γ射线、X射线的原理，科研人员开发出工业CT等无损检测装置，它们在确定材料、设备、产品材质、结构、内部缺陷和损伤中应用突出。此外，基于重离子加速器开发的离子掺杂技术是半导体工业中实现离子精准注入、材料导电性改变、半导体芯片制造的关键技术。又如，基于粒子加速器原理制造的显像管、阴极射线管是电子显示器的核心部件；基于电子加速器开发的辐照固化技术则在涂层、油墨、黏合剂固化、电子器件制造中应用颇多；基于粒子加速器开发的中子测井技术更在石油、天然气、水资源勘测中不可或缺。

　　在医学领域，粒子加速器是癌症与肿瘤治疗中的关键和核心医疗设备。医用直线加速器，又称X刀或光子刀，可通过高能电子与大功率微波电场相互作用引出的能量电子打击重金属靶，并利用产生的X射线照射病灶，从而杀死肿瘤细胞。基于医用质子加速器的质子治疗技术，则是利用加速器形成的高能粒子束对病灶开展精确照射的一种放射治疗技术，其利用质子入射时形成的特殊“布拉格峰”，可在杀死肿瘤细胞的同时不损伤正常细胞，代表了放疗未来方向。同时，基于医用重离子加速器的重离子治疗技术也是一种可以与质子治疗技术比肩的肿瘤治疗先进技术，具有广泛应用空间。

　　在环境保护领域，粒子加速器代表着三废处理技术的重要发展方向。基于电子加速器的电子束辐照处理废水技术，是一种利用高能电子束流辐射污水，使水中的污染物分解或降解、有害微生物发生变性等，以达到消毒净化废水为目的污水处理技术。同样基于电子加速器的电子束辐照法脱硫脱硝技术，则在烟道气脱硫脱硝、净化空气等领域应用广泛。

　　除此之外，在农业领域，粒子加速器已经广泛应用于辐照育种、农产品加工和害虫防治等领域，极大改变了传统农业的面貌，创造了巨大经济效益和社会效益。在科学研究领域，粒子加速器则是研究粒子和原子核的重要工具。

　　目前，世界上运转的粒子加速器已经达到了数万台，它们在各行各业、各个领域发挥着重要的作用。未来，随着新型加速器技术的研发和推广，粒子加速器将会更加广泛、深入应用于工业、农业、医疗、环保等领域，进一步助推我国经济社会的发展，为人类生活生产带来更多便利。

　　（作者单位：中国核科技信息与经济研究院）

编辑：迟语洋

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