我们需要粒子加速器的十个理由

方陵生

粒子加速器（Particle Accelerator）的体积通常极为庞大，位于美国芝加哥附近的费米实验室的万亿电子伏加速器（Tevatron）周长为6千米，而欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）的周长则是它的4.5倍。它不但体型巨大，而且造价极其昂贵。

从某种意义上来说，粒子加速器只是纯粹的研究仪器，似乎离我们普通人的日常生活很遥远。但这些机器并非除了研究之外就没有其他用武之地了。事实上，粒子加速器早在几十年前，就已经走出研究实验室，进入了实际应用领域，而且研究人员还一直在开发粒子加速器的新应用。例如，伊利诺伊州加速器中心费米实验室（IARC）的主任罗伯特·科法特（Robert Kephart），与伊利诺伊州商业和经济机会部（DCEO）正在合力进行更多加速器实际应用的科学研究与开发。

也许，你对以下10种加速器的应用闻所未闻，但粒子加速器的百般神奇确实出人意料，且常常给我们带来巨大的惊喜——粒子加速器离我们并不遥远。

加速器使用电磁力加速带电粒子，由此产生的粒子束可沿设定的方向运动。当移动着的带电粒子经过某个原子时，就能与原子中的电子相互作用，改变其运行轨道和连结方式，导致一些化合物分解并与其他元素结合而形成新的聚合物。

加速器的这种能力在工业上的应用最早可以追溯到上世纪80年代。曾经，薯片袋的封口是将两层铝箔用胶水粘在一起，但在快速运行的工业传送带上，人们显然不愿为了胶水干透等待太长的时间。但加速器就能解决这个难题——电子束可以让胶水物质在瞬间聚合。

与石油相比，我们显然更难驾驭天然气——必须利用管道进行运输，而不能直接运送至所需市场。这也是为什么天然气管道事故频发，不是爆炸起火就是发生泄漏，导致每年都有数千万升的天然气“凭空蒸发”的原因。这不但浪费了大量资源，而且对环境造成了极大污染。据西部价值项目（Western Values Project）估计，2013年，仅美国浪费的天然气就足够满足洛杉矶或芝加哥全年所需。

其实，我们可以通过化学反应将天然气转化成液态烃或石油，但这个过程需要高温、高压，只有在大型工厂才能实现。而加速器可以通过发射电子束来打破碳氢键，改变天然气的化学构成，使其重新结合成链状聚合物，达到同样的效果。据科法特称，这一想法理论上可行，但目前还只停留在未来技术的远景设想阶段。

如果你在一些国家，看见食品包装袋上印有“Radura”标志，这就表明袋内食物已经接受过电子束辐照灭菌。目前，已有40多个国家采用这项技术来杀死苹果、草莓和菠菜等产品中的沙门氏菌和大肠杆菌等微生物。费米实验室加速器物理中心主任弗拉迪米尔·希尔瑟夫（Vladimir Shiltsev）说，精确校正的电子束可以摧毁病原体，但对食品本身不会产生任何影响。

原来，越复杂的分子越容易被电子束破坏，而细菌的DNA要比植物的DNA复杂得多，所以它们会被首先分解。与有可能产生意外核事故的放射性同位素不同，电子束完全在人们的掌控之中。另外，与质子和中子不同，它们也不会破坏原子核。同理，辐照灭菌器发射电子束技术还被用于医疗器具消毒。辐照来自于加速器，关掉开关，辐照就会立即停止。

煤炭燃烧会产生大量的烟道气体，如二氧化氮、二氧化硫等。这些气体若与大气中的水分发生反应，就会变成硫酸和硝酸，最终以酸雨的形式“回归”地面。但如果这些氧化物与氨气（NH3）混合，并接受电子束的放射，就可以转化成硫酸铵和硝酸铵，也就是普通的肥料。此外，静电式或离子式粒子分离器还可将这个化学反应产生的尘埃粒子收集起来，施放到田地里。

依照最乐观的估计，即使再生能源和核能迅速崛起，未来20年内，煤炭仍然将为我们提供所需能量的20%。而这个方法能让燃煤更符合环保要求，使煤炭可能成为清洁能源。目前，加拿大的PAVAC公司正在致力于率先开发这项技术。

加速器可以清除污水、污泥中的氮和磷，以及水体中的激素和抗生素药物残余，前者导致藻类大量滋生，而后者直接危害海洋鱼类。加速器可将药物残余分解为无害化合物，电子束还可以将水离子化，产生H3O和OH的自由基，创造非常利于发生氧化还原反应的环境。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。经电子束辐照的污染物可以直接施放到菜地里作为肥料。

上世纪90年代初，美国迈阿密就已经建造了一座利用加速器清理城市垃圾的试验工厂。尽管工厂已能正常运作，但这项技术还未能解决所有问题，因此一直未能实现商业化运作。

分解分子和破坏病原体DNA并不是加速器唯一强大的本领，加速器还能用来开发电脑芯片新材料。计算机芯片产业依赖于一种被称为“掺杂”的技术，即用加速器将硼和磷离子植入硅层中。这些离子带正电荷，所以加速器可以利用电磁场来控制这些离子束的方向，将离子精准地渗透进硅晶片，从而改变材料的电导性能，为科研人员研发电脑芯片新材料创造有利条件。

电子束并不是可以用来杀死有害微生物的唯一带电粒子，质子也可以用来摧毁肿瘤细胞，且用于放疗效果更佳。因为它们比电子的穿透力更强，可以直接穿透身体组织，却又几乎不会对人体正常组织造成伤害，且在找到猎杀目标时就会停下来，准确杀死肿瘤细胞。

1946年，美国物理学研究中心——费米实验室的第一任主任罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）提出，科学家可以调整加速器，将其产生的粒子束释放到肿瘤的精确位置，杀死肿瘤细胞，同时减小对其周围组织的伤害。1990年，第一个医用质子束加速器在洛马林达大学医学中心（Loma Linda University Medical Center）开始运作，如今已有17000多名病人在那里接受了质子加速器的治疗。

粒子加速器之最

目前，世界上最大、能量最高的粒子加速器，是位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机（LHC），它于2008年9月10日正式开始运作。该加速器位于地下100米深的隧道内，总长约27千米，总撞击能量可达14 TeV（兆兆电子伏特），项目总投资达39亿欧元。

传统核反应堆都是临界反应堆，它们会产生过量的中子，需要由控制棒来进行吸收调节。但问题是，核反应堆控制棒有可能出现机械故障，导致反应失控。而由粒子加速器驱动的次临界系统则可以直接控制中子数量，而不是等产生过量的中子之后，再想办法吸收消耗。

在加速器驱动的原子反应堆中，质子束撞击重金属靶核产生中子，以此驱动核裂变反应。科法特指出，这种设计更安全，因为“关掉加速器，核反应就会停止。”此外，加速器驱动的反应堆还可以将现有核废料分解转化为半衰期较短的同位素。虽然该设想目前还未成为现实，但欧洲、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）通过一种叫做“中子测井”的技术，可以帮助人们勘探石油、天然气和水资源。将中子发生器放置到勘探钻孔中，加速器产生的中子在穿过钻孔周围的土地时，会与各种元素的原子核发生反应。人们可以利用伽马射线探测器，捕捉到这个过程中产生的伽马射线，而勘探人员则可根据信号强弱来确定地下资源的类型。

μ介子加速器可以帮助我们实现真正的穿墙视物。μ介子是一种与电子相似的亚原子，但它的质量要大得多，可以轻易穿过厚重的金属墙壁和容器，与核材料发生反应。假如驶过边境的卡车里藏有核裂变材料，穿过卡车的μ介子就会产生可被检测到的高能伽马射线。

这一性能使得μ介子加速器成了帮助识别核威胁的有力工具。例如，携带μ介子加速器的直升机飞过水面时，可向船只发射μ介子射线。“你可以远程发送辐射，射线会选择性地与船上的物质相互作用，只要了解这些物质材料的特性，就可以确定船上是否携带有核弹部件。”

大千世界是由什么组成的？从古至今，人类不断思考、探索这个问题。古代哲人只能凭自己的所见所闻去推断，但随着科学技术的发展，人们开始采用各种实验方法来验证自己的思维。

粒子加速器与显微镜不同，它并不能直接观察它的研究对象，而是通过“打靶”、“轰击”等来改变对象的状态，人们通过分析改变后的结果，了解微观物质的组成和运动规律。人类究竟为什么需要粒子加速器？我国著名加速器物理学家谢家麟曾说过：“粒子加速器是人类认识微观世界的手段。”也许，这一个理由就已足够。