[科普中國(guó)]-重離子加速器

介紹

一種用人工方法產(chǎn) 生快速重離子 (質(zhì)量大于α粒子的離子)束的裝置。它利用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)將重離子加速，能提供速度高達(dá)幾千、幾萬(wàn)乃至接近三十萬(wàn)千米每秒(真空中的光速)的高能量的重離子束，用以轟擊原子核、原子、分子、固體晶格乃至生物細(xì)胞，是人們變革原子核和“基本粒子”，認(rèn)識(shí)物質(zhì)深層結(jié)構(gòu)的重要工具，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)技術(shù)、國(guó)防建設(shè)等各個(gè)方面也都有重要而廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于加速器來(lái)說(shuō)，重離子與質(zhì)子等輕離子的最大差別是它們的荷質(zhì)比(Q/A)不同。這里Q是離子的電荷態(tài)，A是它的原子質(zhì)量數(shù)。每核子所得到的平均動(dòng)能都是和被加速離子的荷質(zhì)比(Q/A)成一定比例關(guān)系的。但一般重離子的荷質(zhì)比遠(yuǎn)小于1(質(zhì)子的荷質(zhì)比為1)，有的甚至小于0.1。為了提高加速的效率，就需要提高荷質(zhì)比，一般通過(guò)提高電荷態(tài)的途徑，其方法是在粒子加速過(guò)程中，采取氣體或固體靶來(lái)剝離電子，經(jīng)過(guò)剝離的重離子荷質(zhì)比得以提高，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步加速，就可以有效地提高每核子的平均動(dòng)能。我國(guó)粒子加速器的研制工作從八十年代起有了巨大發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、加速粒子種類最多、能量最高的是蘭州重離子加速器。這臺(tái)加速器在研制過(guò)程中，科學(xué)研究人員和工程技術(shù)人員堅(jiān)持自力更生與引進(jìn)消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的方針，以自己的聰明才智和拼搏精神，克服重重困難，于1988年12月12日首次引出能量為每核子50兆電子伏特的碳離子來(lái)，從而向世界宣告：中國(guó)建成了繼法國(guó)(1982年出束)、日本(1986年出束)之后第三臺(tái)大型重離子回旋加速器，從此跨入世界加速器研制與應(yīng)用的先進(jìn)行列。這一成就，是中國(guó)也是世界加速器技術(shù)發(fā)展中的重要里程碑。2

組成部分重離子加速器與一般粒子加速器一樣，有三個(gè)基本組成部分：

1.離子源，用以提供所需加速的重離子。

2.真空加速系統(tǒng)，一個(gè)裝有加速結(jié)構(gòu)的真空室，如加速管、加速腔等，用以向粒子施加一定形態(tài)的加速電場(chǎng)，并使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速。

3.導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng)，包括電磁透鏡、主導(dǎo)磁場(chǎng)等。應(yīng)用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)來(lái)引導(dǎo)并約束被加速的粒子束，使之沿預(yù)定軌道接受電場(chǎng)加速。多數(shù)加速器還設(shè)有若干彎轉(zhuǎn)磁鐵和電磁四極透鏡等組成的束流輸運(yùn)系統(tǒng)，用以在源和加速器之間、加速器和靶之間，或當(dāng)多個(gè)加速器串聯(lián)工作時(shí)，在加速器之間輸運(yùn)所需的粒子束。此外，為保證加速器的穩(wěn)定運(yùn)行，通常還設(shè)有電磁場(chǎng)的穩(wěn)定設(shè)備、束流診斷和監(jiān)測(cè)設(shè)備以及各項(xiàng)供電和操作設(shè)備。

工作原理提供一定能量，一定強(qiáng)度的重離子(A>4的離子)束的裝置。重離子加速器的加速原理和結(jié)構(gòu)基本上與質(zhì)子加速器相同。但是，對(duì)于加速器來(lái)說(shuō)，重離子與質(zhì)子等輕離子的最大差別是它們的荷質(zhì)比(Q/A)不同，這里Q是離子的電荷態(tài)，A是它的原子質(zhì)量數(shù)。一般，重離子的荷質(zhì)比遠(yuǎn)小于1(質(zhì)子的荷質(zhì)比=1)。為了討論方便，常用單核能En代替粒子的動(dòng)能E。

En=E/A，

對(duì)直線形加速器來(lái)說(shuō)，引出束流的單核能 V為加速電壓。而對(duì)圓形加速器，則有 這里k正比于(B ρ)2，(B ρ)為磁剛度。 由上述公式可以看出，如果要獲得與質(zhì)子相同的單核能的重離子束，要么增加磁場(chǎng)或圓形加速器的尺寸，要么增加加速電壓，這樣就要大幅度地提高加速器的造價(jià)，并且以后的日常運(yùn)行費(fèi)用也是相當(dāng)昂貴的。為了降低造價(jià)，提高(Q/A)值是較好的辦法。

改善方案在重離子加速器中，有兩種提高荷質(zhì)比Q/A的方法。

（1）提高重離子源的電荷態(tài)。一個(gè)理想的重離子源應(yīng)能提供強(qiáng)度大，壽命長(zhǎng)，電荷態(tài)高的不同離子的束流，一般用電子轟擊原子和等離子體中的離子，或者用快速離子剝離方法得到高電荷態(tài)離子流。電子轟擊源的通量密度要求很大，重離子加速器使用的重離子源是PIG源和雙等離子體源。由PIG重離子源引出幾種典型重離子流的電荷態(tài)分布如下表。

（2）剝離離子（即原子的剝離）的外層電子。常用的剝離器有固體（如碳膜）和氣體兩種，剝離外層電子后的離子平均電荷態(tài)坴 與電荷態(tài)的分布主要由粒子的入射能量決定，一般的說(shuō)，能量愈高，平均電荷態(tài)愈高。固體剝離器的剝離效率高于氣體剝離器，但剝離后的離子的角散和能散較大。

這兩種提高（Q/A） 的途徑現(xiàn)正廣泛地應(yīng)用在重離子加速器中，特別是后者。因?yàn)閯冸x后的平均電荷態(tài)由入射能量決定，所以重離子加速器一般采用組合方式，即把兩臺(tái)或兩臺(tái)以上加速器串聯(lián)起來(lái)，中間置一剝離器。稱前級(jí)加速器為注入器，后級(jí)加速器為主加速器。重離子源安置在注入器內(nèi)，或者在外部將重離子注入到注入器，離子經(jīng)注入器加速后，達(dá)到一定能量，通過(guò)剝離器，將離子剝離成高電荷態(tài)的重離子。而后，進(jìn)入主加速器加速，獲得較高引出能量的重離子。

靜電加速器在各類重離子加速器中，靜電加速器的特點(diǎn)是直流工作，能提供斑點(diǎn)小，能量精度高的各種重離子束流。

直線加速器束流強(qiáng)度大，粒子種類很少限制，因此第一臺(tái)能加速周期表上全部元素的離子的全離子加速器就是直線型的加速器，這類加速器也是高能重離子裝置中主加速器──同步加速器的理想的注入器。但離子在加速器的加速結(jié)構(gòu)中只能一次加速，不能反復(fù)加速，電效率較低。很多實(shí)驗(yàn)室正致力于更有效的直線加速器的研究。在高頻功率方面，回旋加速器是很經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)殡x子只需反復(fù)通過(guò)同一加速結(jié)構(gòu)就能不斷地增加能量，它的最大費(fèi)用是由磁鐵的尺寸決定。當(dāng)要求離子能量高，種類和能量可變時(shí)，由于相對(duì)論質(zhì)量增加所引起的磁場(chǎng)變化就需要相當(dāng)精湛的磁場(chǎng)成形技術(shù)。

同步加速器在高頻和磁鐵建造方面是比較經(jīng)濟(jì)的。是獲得高能重離子的理想的加速器。

超導(dǎo)加速器用作重離子加速器，由于它在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的巨大優(yōu)越性，得到廣泛的重視。它可以在很低的微波功率下產(chǎn)生高加速電場(chǎng)，或者在很低的激磁功率下產(chǎn)生高的約束磁場(chǎng)。這些都將減小加速器尺寸，降低功率消耗和運(yùn)行費(fèi)用，是一種很有前途的重離子加速器。

實(shí)例扇形聚焦回旋加速器在世界上多數(shù)新建和改建的重離子加速器是等時(shí)性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列靜電加速器。為了得到較高能量，很多新建的裝置采用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上加速器串聯(lián)起來(lái)。構(gòu)成重離子加速器系統(tǒng)，一些是串列靜電加速器注入到回旋加速器或直線加速器，另一些是兩臺(tái)回旋加速器串聯(lián)。

為了把束流從注入器傳輸?shù)街骷铀倨?，需要有一個(gè)束流輸運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)注入器引出束流進(jìn)行適當(dāng)?shù)男螤钭儞Q以適合主加速器對(duì)束流的要求。此外為減少由于電荷交換而引起的離子損失，對(duì)加速器和束流輸運(yùn)系統(tǒng)要求有較高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在輸運(yùn)線上應(yīng)該有電荷分析裝置。 重離子加速器的結(jié)構(gòu)決定了它的調(diào)試和運(yùn)行是比較復(fù)雜的，一般都應(yīng)配備一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)控制調(diào)試和運(yùn)行，當(dāng)然，在加速器內(nèi)和在輸運(yùn)線上的束流診斷設(shè)備是必不可少的。

蘭州重離子加速器蘭州負(fù)離子研究裝置，亦稱蘭州重離子加速器，是中國(guó)能量最高的大型重離子研究裝置。類似的中能重離子加速器現(xiàn)在世界上一共有8臺(tái)，按建成時(shí)間排序HIRFL為第4臺(tái)，法國(guó)、日本和我國(guó)都以大型分離扇回旋加速器作為主加速器。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著重離子加速器的發(fā)展，原子核物理開拓了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新領(lǐng)域——重離子物理。在其它學(xué)科，如原子物理、材料科學(xué)、生命科學(xué)、新能源研究、天體物理等領(lǐng)域，重離子束亦顯示出日益重要的應(yīng)用前景并形成了重要的交叉學(xué)科。為使我國(guó)在這一前沿領(lǐng)域占有一席之地，由國(guó)家投資、近物所負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造，于1988年建成了蘭州重離子加速器（HIRFL），其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平，1991年獲中科院科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，1992年獲國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。 1991年成立蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，它的定位是，以重離子物理基礎(chǔ)和應(yīng)用研究為主，相應(yīng)發(fā)展粒子加速器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，向國(guó)內(nèi)外開放的綜合性科研基地。 20世紀(jì)90年代，在HIRFL上先后建成了具有國(guó)際先進(jìn)水平的放射性束流線(RIBLL)和14.5GHz高電荷態(tài)ECR離子源，均獲得中科院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，為我國(guó)開展放射性束物理和高離化態(tài)原子物理這些國(guó)際前沿領(lǐng)域的研究創(chuàng)造了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件。 蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(HIRFL-CSR)——是國(guó)家“九五”最大的科學(xué)工程。 蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)展成為在國(guó)際上享有較高知名度的重離子物理研究中心之一。3

醫(yī)用重離子加速器中國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的醫(yī)用重離子加速器成功出束。這意味著腫瘤患者的重離子放射治療將不再依賴國(guó)外技術(shù)設(shè)備。1

這臺(tái)醫(yī)用重離子加速器位于甘肅省武威市，2012年5月開始研制。目前已實(shí)現(xiàn)每核子400兆電子伏的碳離子束加速及非線性共振慢引出，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)備可用于腫瘤患者的重離子放射治療，尤其是疑難、不宜手術(shù)、使用其他治療手段易復(fù)發(fā)的腫瘤類型。

此前，國(guó)內(nèi)只有上海復(fù)旦大學(xué)腫瘤醫(yī)院擁有一套全引進(jìn)的醫(yī)用重離子加速器設(shè)備。自主研發(fā)尚屬首例。

中科院近物所相關(guān)研究人員表示，這臺(tái)重離子加速器是該所近60年科研經(jīng)驗(yàn)積累傳承的成果。重離子加速器成功出束后，就可以申請(qǐng)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局檢測(cè)，檢測(cè)達(dá)標(biāo)后開展臨床試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)標(biāo)就能正式對(duì)外啟用接受腫瘤患者的治療。

據(jù)了解，在腫瘤治療方面，重離子的能量沉積、精準(zhǔn)度等優(yōu)于已投用多年，技術(shù)相對(duì)成熟的質(zhì)子，有明顯的物理學(xué)和生物學(xué)優(yōu)勢(shì)。1