粒子加速器是产生并加速原子和亚原子大小的带电粒子束（如电子、质子和离子）的机器。粒子加速器不仅被用于深化我们对物质世界认识的基础研究，还广泛应用于生命健康、环境监测、食品安全和粮食安全、文化遗产科学、新材料、能源及航空航天技术等诸多社会经济领域。

工作原理

粒子加速器可分为直线型或环型，尺寸规格各异。大型的可长达数十千米，而小型的则可放在小房间内，但所有加速器都具备四个主要部件。

粒子束的用途

• 生命健康领域：离子束可用于医疗器械灭菌，还可生产用于癌症诊断与治疗的放射性药物合成所需的放射性同位素。大型加速器可用于治疗癌细胞，解析蛋白质与病毒的结构，助力疫苗和新药的优化研究。

• 科研领域：一些超大型加速器可用于使亚核粒子以近光速进行对撞，增进我们对宇宙起源的认知。部分这类加速器还用于产生中子，供核研究反应堆使用。

• 环境监测领域：质子束可用于检测空气、水或土壤中的痕量化学元素。例如，通过特殊过滤器收集空气样本，然后借助分析技术进行检测。结果可揭示不同污染物的浓度、组分和来源，从而为空气质量提供独特的识别标志。

• 食品安全和粮食安全领域：电子束辐照是一种安全的食品加工技术，利用高能电子清除病原体、寄生虫和害虫，在不会让食品产生放射性的前提下，提高安全性并延长保质期。肉类、香辛料和水果等食品经常以辐照的方式进行加工。基于加速器的分析技术可以检测食品和膳食补充剂中的主量元素和痕量元素，并识别可能的污染物，还能提供食品产地溯源和真实性鉴别的信息。

• 文化遗产科学领域：基于加速器的分析技术可获取文物的成分与结构信息，有助于确定文物年代。这些信息可帮助解答有关文物产地、制作工艺或艺术技法及历史背景等问题，同时为文物修复方案的制定提供支持。电子束加速器广泛用于对木材、纺织品和皮革类文物的灭菌，并通过一种称为“加固”的工艺，将液态树脂注入文物内部，使其永久硬化，实现文物的物理强化与稳定。

• 新型材料与能源应用领域：粒子加速器可在原子尺度上构建材料结构，可用于制备量子应用所需的材料，还可用于制备和分析材料科学及能源应用所需的材料，具有仅几纳米的高深度分辨率，这对于更好地了解新型电池材料、聚变反应堆结构材料至关重要。

• 航天应用领域：粒子加速器可将离子加速到极高能量，使其与材料产生相互作用，模拟外层空间中的类似过程，也可以模拟辐射效应来测试电子产品的抗辐射性能，甚至研究辐射对活细胞的影响。所有这些信息在规划太空探索任务时都非常重要。

• 人工智能应用于加速器：目前，人工智能正广泛应用于加速器本身及加速器各类应用场景中。具体而言，人工智能正被用于优化粒子加速器的运行状态、改进大数据评估效率及增强成像能力等。

粒子加速器有哪些不同类型？

• 离子注入机：离子注入机广泛用于工业领域，提升材料的抗磨损、抗损耗性能。全球约有1.2万台离子注入机，用于制造手机和太阳能电池板所需的半导体，以及用于金属、陶瓷和玻璃的表面处理，实现表面硬化，提升耐用性与使用寿命。离子注入机还可以提高医用植入物材料的可靠性，使其在人体内使用更安全。

• 电子束加速器：全球有近1万台电子束加速器在运行，是工业领域的“主力军”，广泛应用于汽车和航空航天工业、机械制造和医药产品制造。例如，电子加速器可以使材料在极端温度下更耐用或更耐化学腐蚀，还广泛用于医疗器械、食品的灭菌，以及污水消毒处理。

• 直线加速器：直线加速器的长度从几米到几千米不等，其中许多都用于科学研究。最广为人知的是安装在医院的医用直线加速器，用于产生X射线束流，然后将束流引导至肿瘤细胞并将其杀灭。全球约有1万台医用直线加速器在运行。

• 回旋加速器：全球有1500多台回旋加速器，用于产生医用质子束或氘核束，生产用于诊断和治疗癌症的放射性同位素。许多回旋加速器都建在医院内，用于就地生产含有短期放射性同位素的放射性药物。

• 同步加速器：全球有70多台同步加速器，是粒子加速器中的巨无霸，用于科学研究，帮助我们了解宇宙的基本规律。科学家们也将其用于研究化学、生物医学、自然与文化遗产、环境等多个领域。

• 静电加速器：静电加速器，特别是串列加速器，成本较低，用于研究材料特性、监测环境、支持生物医学研究、研究文物等。全球目前有约300台静电加速器，专家预计未来几年数量会增加。

来源 | 国际原子能机构（IAEA）官网

作者 | Wolfgang Picot，IAEA新闻和宣传办公室

Adriana Vargas，IAEA新闻和宣传办公室

Sotirios Charisopoulos，IAEA核科学和应用部