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没有粒子加速器就活不下去的10个理由

//www.auribault.com 2014-07-10 来源：科技日报

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　　物理学家用粒子加速器来回答基础物理学的问题——我们的宇宙是怎么来的，为什么物体具有质量等等。很多粒子加速器个头巨大，在芝加哥附近费米实验室的万亿电子伏加速器（Tevatron）周长有六公里，而日内瓦的大型强子对撞机（Large Hadron Collider ，LHC）还要再大四倍，而且，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，你会大吃一惊的。

　　粒子加速器早在几十年前就逐渐走出实验室、渗入到了工业界，而且科学家们还在不停设想新的应用。当用于基础研究的资金减少的时候，科学家就会想新办法来筹钱。

　　罗伯特·柯法特（Robert Kephart）是伊利诺伊加速器中心费米实验室的主任，伊利诺伊州商业和经济机会部（DCEO）联手资助科学研究，并发展粒子加速器的应用。他和他的同事讲解了你大概可能没听说过的10个粒子加速器的应用。

　　No.1 牛奶盒子的封口，加速器干的

　　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。“永远都会是黏糊糊的。”柯法特说——但是电子束可以让这一切瞬间发生，“用加速器你可以瞬间让胶水聚合。”

　　No.2 大量天然气被浪费，加速器来搞定

　　比起石油，天然气更加难以驾驭，并且需要管道传输。所以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——造成了污染和浪费。

　　根据西部价值项目（Western Values Project）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。化学反应可以将天然气转化成液态烃或者石油，但是这个过程要求很高的温度和压力，只有大工厂才能实现。加速器可以通过用电子束打破碳氢键来实现同样的目标，从而使得天然气和重新结合成链状聚合物。这个过程据柯法特所说理论上可以奏效，但是还停留在未来技术的阶段——还没有建成的原型。

　　No.3 担心菠菜有大肠杆菌？加速器来消灭它们

　　如果你看见包装袋上有左边这个叫做“Radura”的标志，那么你的食物已经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生物。弗拉基米尔·施尔特瑟夫（Vladimir Shiltsev）是费米实验室加速器物理中心主任，他解释说这种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，也不像质子或者中子，它们不会破坏原子核。“我们现在说的这种射线来自于加速器，所以当你关掉开关，所有放射都停止了。”柯法特说道。同样地，电子束被用在辐照灭菌器（rhodotron）中，为医用器具消毒。

　　No.4 让煤炭变清洁，试试把加速器安在烟囱里

　　燃烧煤炭会产生诸如氮氧化物和硫氧化物的烟道气体：二氧化氮、三氧化氮、二氧化硫和三氧化硫等等。这些气体会同大气中的水反应，从而变成硫酸或硝酸，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。

　　柯法特认为这个想法让煤炭有机会成为清洁能源。“即便是在对再生能源和核能最乐观的估计下，煤炭在未来的20年内至少还要提供我们所需能量的20%。”柯法特说，“这个方法能让燃煤更符合环保要求。”PAVAC是由拉尔夫·艾丁格（Ralf Edinger）成立的一家公司，该公司位于加拿大英属哥伦比亚，致力于率先建成这项技术。

　　No.5 抗生素危害鱼类？加速器变药成肥

　　加速器可以用来清理污泥，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。“你可以放心地把经过辐照的污泥用在生菜地里面。”柯法特说道。

　　上世纪90年代初，佛罗里达的迈阿密建造了一座用加速器清理城市垃圾的试验性工厂。尽管这座工厂可以运作，但还不能解决所有问题，柯法特说，所以这个想法还没有被商业化。“购买处理城市垃圾的垃圾场需要完整（配套）的系统。”他解释道，但“现在得到工业界的资助还为时过早。”

　　No.6 新电脑入手，多亏加速器

　　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，这会改变材料的导电性。

　　No.7 加速器消灭癌症，让你活得更久

　　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少伤害，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，放射性伤害。”施尔特瑟夫说道。这让科学家可以调整加速器，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（Robert Wilson）提出。将近半个世纪后，第一个医用质子束加速器在罗马林达大学医学中心（Loma Linda University Medical Center）开始运作。

　　罗马林达大学医学中心的质子加速器：自1990年开始运行之后，超过17000位病人在罗马林达大学医学中心接受了质子治疗。

　　No.8 核反应堆防患于未然？让粒子加速器接手

　　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，如柯法特所说，这种设计很安全，他指出，因为“当你关掉加速器，核反应就停止了。”加速器反应堆还可以将现存的核废料分解转化成短寿命同位素。目前这种反应堆还没有被建成，但欧洲、印度和中国都在研发这种反应堆，柯法特说道。

　　No.9 石油用完了？加速器帮你找

　　便携式中子发生器（中子管）通过一种叫做中子测井的技术勘测石油、天然气或者水资源。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。

　　“通常人们要查看反应特征。”施尔特瑟夫说道，“如果有孔，那么放射出来的伽马射线会比较少。”同理，石油和水会产生不同量的伽马射线。

　　No.10 加速器紧盯大规模杀伤性武器

　　介子加速器可以让我们真的穿墙而“看”。μ介子——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，但是会同核材料发生反应。如果一辆卡车，也许是边境巡逻人员驾驶的卡车，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，直升机可以携带μ介子加速器飞过水面，同时向船只发射μ介子射线。“你可以远程发送辐射，射线会选择性地与材料相互作用，然后就能知道在船上有没有某些特定的材料。”施尔特瑟夫说，“那样你就能搞清楚这条小船是否携带了核弹部件。”

　　稿件及图片来源：果壳网

　　编译：李亚楠

编辑：尹盼秋