核技术及应用研究所是工程物理系规模最大的研究所，现有加速器物理及应用、辐射物理与探测、粒子信息获取与处理、核电子学及控制、辐射防护与环境保护五个研究室，主要从事粒子辐射的产生、探测以及应用的理论、方法和技术研究；建有危爆物品探测技术国家工程研究中心、粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，以及世界最深的地下实验室——中国锦屏地下实验室。学科领域涵盖核科学与技术一级学科下的核技术及应用、辐射防护与环境保护两个二级学科。
研究所现有教职工52人，其中正高职称26人，副高职称22人，入选国家级人才计划27人次；在读研究生超过350人，其中博士生300余人。近五年来，研究所承担了2门国家级精品课及4门校级精品课；出版教材及专著10部；指导学生获得国自然青年学生基础研究项目资助4项、北京市科学技术进步奖2项、全国挑战杯特等奖1项、研究生国家奖学金33人次、北京市优秀毕业生23人次。
研究所的科研工作兼顾基础研究和应用研究，并坚持产学研一体化的发展思路。主持或参与了国家科技部重点研发计划、重大科学仪器专项、973、863，国家自然科学基金委重大科研仪器、重点、重大国际合作，国家发改委专项，教育部985和211建设等100多项国家级重大、重点项目。
2009年，研究所牵头组建了中国暗物质实验（CDEX）合作组，依托锦屏地下实验室开展暗物质直接探测和无中微子双贝塔衰变实验，迄今已发表一系列高水平物理成果，推动我国自主暗物质直接探测研究达到国际先进水平。2023年底，研究所牵头的“十三五”国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”项目土建公用工程完工，入选2023年中国十大工程进展。2025年底，“锦屏深地科学中心”揭牌成立，全球空间最大、覆盖最深、宇宙线通量最小、本底最低、综合条件最优的中国锦屏地下实验室迈入“体制化运行、高质量发展”的新阶段。
研究所建立了基于汤姆逊散射的准单能X射线源（TTX）及微型脉冲强子源（CPHS）两个先进辐射源平台，牵头承担了4项国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目，并引领世界稳态微聚束极紫外光源的研究。2021年，SSMB 课题组在《自然》（Nature）发表研究论文，报告了一种新型粒子加速器光源“稳态微聚束”（Steady-state microbunching，SSMB）的首个原理验证实验。
研究所始终面向国家安全重大需求，以辐射成像技术及其在安检领域中的应用为核心，取得多项标志性成果，为国家打私、反恐及大型装备检测等提供了高科技手段。研究所研制的世界首套航空箱CT安全检查系统，2022年底落地深圳机场，是世界首个实现航空货物CT查验的成功案例；研制成功世界首套碳纳米管分布式光源静态CT系统，解决了现代物流对高速精准检测成像系统的亟需，入选2022年“近年来核技术应用领域十件大事”。科技成果转化所形成的高科技产品出口到170 多个国家和地区，成为高科技成果“中国创造”的典范。
研究所荣获2003年度国家科学技术进步奖一等奖、2010年度国家技术发明奖一等奖、2013年度国家科学技术进步奖（创新团队）以及国家自然科学奖二等奖、国家科学技术进步奖二等奖多项，并获得中国专利奖金奖3 项，现拥有国内授权发明专利600 多项，海外授权发明专利900多件。
① 加速器物理及应用研究室
加速器物理及应用研究室主要从事带电粒子束产生及应用研究，同时开展相关学科的教学工作。研究主要包括低能直线加速器研制与应用、常温射频结构研制、高亮度电子注入器、汤姆逊散射X 射线源研究、等离子体加速器技术及应用、基于相对论电子束的太赫兹源研究、强流质子直线加速器、质子同步环加速器。经过多年的积累，低能电子直线加速器技术先进，应用广泛;高亮度光阴极微波电子枪支撑了多个国家重大科学装置建设；搭建完成了清华汤姆逊散射实验平台（TTX），产生了高品质的散射X射线；建成高能超快电子源与散射装置（FORTRESS），实现国际领先的时间分辨率，并已开展前沿科学实验；研制建设了微型脉冲强子源（CPHS）,产生了13MeV质子束流和中子束流；承担国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目（部门推荐）“紧凑型准单能伽马源”的研制，项目已完成装置调试，进入最终验收阶段；引领世界稳态微聚束极紫外光源的研究；系统突破等离子体加速核心物理和关键技术，成功研制国际首台移动式激光等离子体加速器及成像设备工程样机，依托SXFEL 和BEPC II等大科学装置推进FEL和正负电子对撞机前沿研究。
②辐射物理与探测研究室
辐射物理与探测研究室主要从事辐射物理、辐射探测及技术相关的教学和科研工作。教学方面，承担了国家精品课《核辐射物理及探测学》、《粒子探测原理及技术》、《一双慧眼—辐射粒子的探测》等本科生课程；《现代辐射探测与测量》、《中子探测与测量》、《光电成像探测器原理及应用》等研究生课程。科研方面，主要研究用于大型科学研究装置及核技术应用的各种探测器，涉及气体、闪烁体和半导体探测器，如阻性板室（RPC、MRPC），气体电子倍增器（GEM），时间投影室（TPC），高纯锗探测器（HPGe），碲锌镉（CdZnTe）探测器，中子探测器及多种辐射成像探测器等。研究成果丰硕，并获得多项奖励。研究室先后承担了集装箱检查系统、高能工业CT、RHIC-STAR TOF 探测器、暗物质探测CDEX、国家重大科技基础设施“极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施”等项目。
③粒子信息获取与处理研究室
粒子信息获取与处理研究室主要从事核技术应用中射线成像物理机制、辐射信息获取、信息重建与处理方法的教学、科学探索与研究和成果转化等工作，是核技术应用与计算机科学和电子信息科学的交叉学科。团队承担着清华大学校级本科生精品课《核数据获取与处理》、
专业核心课《核仪器原理》，以及《信号与系统》、《三维可视化技术基础及应用》等本科生专业课程和《图像重建算法》、《迭代图像重建方法》、《辐射成像原理》等研究生专业课程的教学工作。目前团队主要研究内容包括：X射线新型综合成像（衰减/相衬/暗场/荧光/散射/衍射成像）物理机制研究、高速数据获取、谱信息处理与智能识别、三维到多维图像重建理论与算法、并行加速方法、多维信息智能识别、数据可视化方法、系统性能评估方法，以及核心器件研发，例如新型分布式场致发射X光源、能谱探测器等；技术应用领域包括生物医学、工业无损检测、安全检测、海关缉私等。研制成功了世界首套液体安全检查系统、世界首套基于多段直线的航空箱检查系统、世界首套基于碳纳米管的静态CT系统、世界首套MeV双能集装箱CT 检查系统、世界首套超高分辨率颞骨CT 系统和多种国际领先的行李CT系统，研究成果达到世界领先水平，获得多项国家级和省部级奖项。
④核电子学及控制研究室
核电子学及控制研究室主要面向粒子物理、空间物理、辐射测量、辐射成像、安检探测等领域对核电子学系统的需求，在揭示物理信号、噪声信号、外部干扰信号与测量电子电路间的耦合、传输、调制等物理机制的基础上，探索新的测量机制；将传统的核电子学方法理论与微电子、微纳加工、微纳卫星技术结合，发展新型核电子学系统，实现高灵敏、高精度、高速度、高密度、高可靠性的物理信号低噪测量和数字化；实现其在诸多领域的广泛应用，包括专用集成芯片ASIC、核探测器数字化脉冲处理、数据读出和控制系统、高功率电磁环境及效应等研究方向。近5年来，完成多款ASIC芯片、高速数字化采集系统和瞬态电场传感器的研制，承担多项重大粒子物理实验、空间物理、辐射测量、辐射成像、安检探测的电子学及系统设计工作。
⑤辐射防护与环境保护研究室
辐射防护与环境保护研究室主要研究辐射对环境、人员的各种影响，以及各种防护措施以防止或减少辐射对环境及人员可能造成的危害，同时在辐射防护及监测、环境保护、蒙特卡罗方法在核技术的应用等领域开展教学工作。研究室目前主要研究领域包括人体模型构建及辐射剂量计算、极低放射性测量与监测方法与技术、蒙特卡罗方法研究及程序研发、大科学装置的辐射防护及辐射物理问题、天然辐射测量评价与控制、环境粒子甄别方法与技术、室内环境质量监测与评价、基于核技术的工业在线检测等。
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