離子束加速器的應(yīng)用可以分為兩大類(lèi)：確定元素和同位素組成以及材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分析方法；材料改性。

一些離子束分析技術(shù)依賴來(lái)自樣品的受激輻射，例如，粒子誘發(fā)x射線發(fā)射（PIXE）和核反應(yīng)分析（NRA）方法。這些方法對(duì)材料的化學(xué)成份或同位素組成分析十分靈敏。其它技術(shù)利用樣品中離子的散射和反沖來(lái)描述材料的化學(xué)與結(jié)構(gòu)組成，或者獲得元素濃度的深度剖面。

離子束分析方法可用于：

• 確定污染物的來(lái)源，如空氣中的細(xì)小顆粒物或由水輸運(yùn)的沉積物顆粒；
• 描述食品中污染物；
• 獲取單個(gè)生物細(xì)胞的影像；
• 確定組織中的微量元素分布和疾病的機(jī)理。

離子束法也可用于文物的非破壞性分析。檢查陶瓷和玻璃上的油墨、顏料和釉料的組分，以確定藝術(shù)品或考古藝術(shù)品的來(lái)源。該方法還可以揭示物品的真假，是否曾經(jīng)被改動(dòng)，發(fā)生腐蝕和惡化的機(jī)理以及對(duì)所受影響文物的保護(hù)。

在材料改性領(lǐng)域，離子束也有用武之處：

• 納米技術(shù)，例如創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)；
• 半導(dǎo)體和電子設(shè)備，例如離子注入，
• DNA修飾，例如誘變植物育種。

離子束也可用于開(kāi)展輻射與材料之間相互作用的基礎(chǔ)研究。許多先進(jìn)反應(yīng)堆概念會(huì)產(chǎn)生其能量比目前反應(yīng)堆中子的通量大得多的高通量中子。這些快中子通量對(duì)反應(yīng)堆材料（例如包裹核燃料的包殼）造成的破壞要大得多。核反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會(huì)加劇包殼的腫脹。高能離子束可加速對(duì)材料的損傷速率，使其遠(yuǎn)超過(guò)試驗(yàn)堆所能達(dá)到的損傷速率。同時(shí)使用兩種離子束，可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生氫氣和氦氣。因此，在反應(yīng)堆內(nèi)可能發(fā)生的所有主要損傷過(guò)程都可以用離子束進(jìn)行模擬，以快速篩選潛在的候選材料。

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