科学界最强跨界能⼿：能做物理实验，还能预防⼤⽕！
李中平
中科院物理所
2023-04-29 13:13:07
转⾃公众号：中科院近代物理所
也许，“粒⼦加速器”对你来说早已不是什么新鲜名词。甚⾄，它的应⽤你也能说出个⼀⼆三：服务于物理实验，被⽤来治疗癌症，在农业、⼯业、航空航天、能源等领域都有着⼴泛的应⽤......BINGO, 以上全对！不过，你可能不知道加速器还有⼀种特别接地⽓的应⽤——预防⼤⽕、降低⽕灾⻛险。什么，这也能和加速器扯上关系？！的确，能触及如此多的领域，看来“科学界最强跨界能⼿”⾮它莫属了！
⼏根电缆引发的⾎案
上世纪70年代初，⼈们在总结了⼀连串的⽕灾事故教训后，提出了“阻燃PVC塑料电线电缆”的概念，这在当时被认为是⼀个了不起的科技进步。然⽽，在1982年英国与阿根廷之间爆发的⻢岛战争中，⼈们觉得阻燃PVC已经⽆法符合环保标准和安全要求了。战争中，英国军舰被阿根廷战⽃机击中，瞬间，⽕光冲天、电路中断、烟雾滚滚，造成⼤量⼈员死亡。
事后，英国海军经过研究发现，⽕灾引起的浓烟含有强烈的刺激性的有毒⽓体，⼀经吸⼊，便会窒息身亡。⽽这些⽓体绝⼤部分是由舰艇上的PVC电线电缆燃烧所产⽣的。于是，英国海军发出命令，必须将⽤于舰艇上的电线电缆全⾯低烟⽆⻧化。
电线电缆燃烧造成的⽕灾事故在⽇常⽣活中并不少⻅：伦敦国王⼗字地铁站⼤⽕、德国杜塞尔多夫机场⼤⽕，⾥昂、东京、芝加哥等地的电信局⽕灾……常规的电缆材料⼗分易燃，且会放出浓⿊的烟雾及腐蚀性、刺激性⽓体，给及时扑灭⽕灾和⼈员逃⽣带来了极⼤的困难。
有没有⼀种⽅法，能让电线电缆更安全、更环保？辐照加⼯就是⼀种可⾏的⽅式。
说起电离辐射，不少⼈谈之⾊变。然⽽，只要合理利⽤电离辐射，我们的⽣活也可以更安全！通过电离辐射，我们可以改变电线电缆的分⼦结构，让它们更加环保、安全和耐⽤。当我们对电线电缆的护套进⾏辐照后，电缆的绝缘层会由线型分⼦结构变为三维⽴体⽹状结构。线性分⼦间形成横向键，形成了具有更⾼分⼦量的三维四状聚合物，分⼦结构更加牢固。我们也称这种⽅式为“辐照交联”。
通过辐照交联，电线电缆的阻燃性、抗⽼化、耐热能⼒可以⼤幅提升，能在⼀些特殊环境，例如紫外线强照射、⾼温、严寒等环境下正常使⽤。举个简单的例⼦，普通电缆的⻓期允许⼯作温度通常为70℃或90℃，⽽辐照交联后的电缆⻓期允许⼯作温度可达125℃甚⾄更⾼，耐温性⼤⼤增强。
同时，相较于普通电缆发⽣燃烧时会产⽣腐蚀性、有毒⽓体这⼀常被⼈诟病的缺陷，辐照交联电缆在发⽣燃烧状况时，低烟、⽆⻧、⽆味，不会对⼈体及环境造成⼆次伤害。
说了这么多辐照交联的优点，可需要⽤什么样的⼯具才能实现呢？是时候让咱们粒⼦加速器⼤家族的⼀员⼤将——电⼦加速器闪亮登场了！其实在⼯业领域，辐照交联⼀般会有两种⽅式：⼀种是利⽤电⼦加速器产⽣的⾼能电⼦束进⾏辐照；第⼆种是使⽤钴-60等放射性同位素产⽣的γ射线进⾏辐照。相对⽽⾔，电⼦加速器因其更加环保、加⼯效率更⾼⽽具有明显的优势。
⾃上世纪50年代起，发达国家就凭借辐照加⼯技术创造了良好的经济收益。我国的辐照加⼯虽起步较晚，但近年来也获得了⻓⾜的发展。⽬前我国⽤于辐照加⼯的电⼦加速器数量可观，其中⽤于电线电缆辐照的电⼦加速器约有500台。
电⼦加速器有许多种类，我们可以使⽤哪种加速器来对电线电缆进⾏辐照加⼯呢？这就不得不提到“⾼压变压器型电⼦加速器”了。
⾼压变压器型电⼦加速器（DG型加速器，根据辐射⾏业标准命名为“DG”型）属于直流⾼压电⼦加速器的⼀种，主要特⾊是结构紧凑、电能转换效率⾼、操作⽅便、⻓时期运⾏稳定、⼯业化应⽤性价⽐⾼。它的⼯作原理也很简单：电⼦束从电⼦枪发射，在由感应耦合式级联⾼压系统产⽣的电场中，通过加速管被加速、聚焦，最终从扫描引出装置出射到⼤⽓中。⽽辐照样品则经过传动系统被传送到扫描窗下进⾏辐照加⼯。
⾃1997年开始，中国科学院近代物理研究所开始研制⾼压变压器型电⼦加速器，于2007年成功研制了具有⾃主知识产权的DG型电⼦加速器。随后针对不同的应⽤需求，近代物理所⼜研制了不同参数的DG型加速器，形成了系列化产品。
除了辐照电线电缆，DG型电⼦加速器也在热缩材料、橡胶硫化、泡沫塑料、表⾯固化、医疗⽤品消毒等领域形成了产业规模。在环保领域，DG型电⼦加速器也可以⼤展身⼿。利⽤电⼦束照射，⼯业废⽔、⽣活废⽔和养殖业废⽔都可被处理净化。⽽它在污泥处理⽅⾯也有很⼤的发展潜⼒：相较于传统的填埋、焚烧、堆肥等污泥处理⽅式，电⼦束辐射法被认为是⼀种清洁、⾼效、⽆⼆次污染的处理⽅法，受到了科学家们的重视与⻘睐。
结语
利⽤电⼦加速器进⾏辐照加⼯是⺠⽤⾮动⼒核技术应⽤的⼀个重要⽅向。作为“科学届的最强跨界能⼿”，加速器不仅引领⼈们探索宇宙最深处的奥秘，也在治疗疾病、改善环境、⻝品灭菌、降低⽕灾⻛险等等“接地⽓”的领域让我们的⽣活更加安全、健康和舒适。⽽DG型电⼦加速器也在⾃⼰“擅⻓”的领域⼤放异彩。未来，我们期待“最强跨界能⼿”能为我们的⽇常⽣活带来更多意想不到的惊喜。