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    蘭州重離子加速器:物理學家的“金剛鉆”
    來源:???? 作者: ???? 2016-10-08 11:39???????

     

    ■本報記者 劉曉倩

    “束流是強大的工具,如果科研工作者是匠人,蘭州重離子加速器提供的束流就是我們的‘金剛鉆’。”中科院近代物理研究所研究員張玉虎說。

    利用這個“金剛鉆”,科學家們研發出重離子治癌裝置、精確稱重原子核、合成新核素、培育更優品種的農作物……近日,《中國科學報》記者走進大科學裝置——蘭州重離子加速器,體驗它的運行狀態,剖析它為科學研究重器作出的貢獻。

    龐然大物藏在半地下

    蘭州重離子加速器體積龐大,放在半地下的隧道中。走進加速器冷卻儲存環主環大廳,仿佛走進了一個彩色的磁鐵世界,黃色的四極磁鐵用于控制束流粗細,藍色的二級磁鐵用于改變束流的運動方向,紅色的校正磁鐵用于校正束流的局部軌道。肉眼看不見、摸不著的重離子束就在這些彩色磁鐵中的橙色超高真空管道中“奔跑”。

    “冷卻儲存環周長161米,離子束1秒鐘在環中可以跑100萬圈。”近代物理所加速器總體室研究員冒立軍介紹說。

    簡單地說,重離子加速器像是由許多磁鐵塊堆積連接起來的龐然大物,包含了磁鐵、高頻、真空、電源、控制等多學科的設備,離子在真空環境中被磁場控制運動方向、電場加速,并通過引出系統,將加速了的離子束輸送到實驗物理學家需要的地方。這個龐大的“鐵家伙”重1500噸,但安裝與設計精度卻是0.1毫米。如果這些“鐵家伙”安裝不精細,高速運行的重離子束就不穩定。

    近代物理研究所于上世紀60年代開始建設1.7米扇聚焦回旋加速器(SFC),2008年建成冷卻儲存環(CSR)。經過50多年的發展與積累,如今,蘭州重離子加速器已成為我國能量最高、規模最大的重離子研究裝置。目前,加速器每年運行7000小時,其中5000小時為用戶提供束流。

    順著冷卻環繼續向前走,管道在一堵鉛塊壘成的墻面消失,冒立軍介紹說,這背后是深層治癌終端,束流從這里輸送過去。除此之外,重離子加速器還有三個輸送終端,分別是材料和強子物理、用于測量原子核質量等原子物理的實驗物理中心、用于核子物理的外靶實驗中心。

    科學家遠控給束流看病

    冷卻儲存環里“奔跑”的重離子束從哪里產生?加速器運行負責人楊維青帶記者來到主磁鐵所在的主加速器大廳。這里平時大門緊閉,在無束流且確認安全的前提下需要刷卡才能使門向左平行移動打開。同時,門口墻上懸掛的大顯示屏為即時輻射區劑量監測,數據顯示為綠色,說明此時該區域的輻射幾乎為零。

    進入大廳,迎面是一道金屬活動墻,這是一道防護水門,墻里充滿了水。經過一個90度的直角轉彎,由4扇巨大的藍色磁鐵構成的龐然大物出現在記者眼前。這就是分離扇回旋加速器,簡稱主加速器,它們每扇重500噸,從底部到頂部有近30個臺階。楊維青介紹,束流由離子源產生,經過扇聚焦回旋加速器(簡稱注入器)進行加速,可以進行科學實驗,也可以輸送到主加速器或者冷卻儲存環進行再加速,將束流輸送到各個實驗終端進行科學實驗。機器運行時,工作人員不能進入輻射區域,采用遠控的方式控制加速器運行,這些工作都在中央控制室完成。

    從主加速器大廳出來,記者進入中央控制室,這里是一個大平臺,30多臺電腦好似加速器的眼睛,集中反映加速器的運行狀態、運行參數、設備監測、設備控制、束流種類及強度、安全聯鎖等諸多內容。而重離子加速器的工作人員好似“駕駛員”和“醫生”,時刻注視著加速器的運行狀況。比如前幾年進行重離子治癌臨床試驗時,他們要操控加速器,為其提供六種能量的束流,流強要足夠大、保持束流光斑和病灶的大小一致、均勻度達90%以上。楊維青對記者說,每次開始治療病人,他和同事們精神高度緊張,眼睛一刻不離電腦屏幕,保證束流穩定可靠。

    中央控制室的墻邊,懸掛著一張邊角發黃,背面橫七豎八粘滿膠帶的加速器總體結構圖。楊維青說,科學實驗需要什么離子,我們就加速什么離子。但每種離子都有自己的特性,加速過程常遇到意想不到的問題。由于加速器是由成百上千的設備組成,束流在真空中看不見也摸不著,每當遇到問題,工程師們就會集中于此,討論問題出在哪里,因此,這張圖被翻過無數次。

    研究成果具有國際競爭力

    “束流是強大的工具,如果科研工作者是匠人,蘭州重離子加速器提供的束流就是我們的‘金剛鉆’。據此,我們有了可以拿到國際舞臺的研究成果,很自豪。”近代物理所精細核譜學研究組組長張玉虎研究員說。

    2015年2月,蘭州重離子加速器為超重終端提供氬離子束流,連續240小時保持穩定,最終合成了兩種新核素——鈾-215和鈾-216。回憶那“打仗”一般忙碌的10天,近代物理所原子核結構研究組組長周小紅研究員說,束流好似炮彈,一秒鐘可以打出100萬個不穩定的原子核,科研人員用束流轟擊靶,使其與靶中的原子核碰撞,發生核反應,產生新的原子核。但是,能打出想要的極短壽命原子核的概率很低。

    “運氣好的話,一天能打出一個新原子核。”周小紅說。接下來,科研人員需要從1000億個原子核中找出一個有用的,相當于在銀河系中找到一個星體,在騰格里沙漠里找到一根針。為此,科研人員建立了單個原子核靈敏的實驗鑒別技術,首創了“質子—伽馬”符合鑒別核素方法。

    制造出新的原子核并精確測量它們的質量是各國科學家的不懈追求和夢想。然而,不穩定原子核的質量很難稱量,因為他們的重量很輕,壽命也相當短。以鈷-51為例,2萬億個鈷-51比一粒小米還輕,壽命只有100毫秒。

    “這相當于在一架滿載乘客的飛機上,稱重一個乘客呼吸產生的重量。”張玉虎說。從2009年開始,研究小組利用蘭州重離子加速器冷卻儲存環制造出了可以測量短壽命原子核質量的“秤”——等時性質量譜儀。通過實驗獲取海量數據,再經過一年的數據處理和分析,得到了稀有核素的質量。

    張玉虎說,近代物理所歷時60年,三代科研人員,使用了三代加速器提供的實驗條件,發現了27種新核素,首次測量出20個原子核的質量。

    可應用于多個領域

    重離子加速器提供的束流可以進行核物理基礎研究,也可以為材料、生物科學等其他學科所用,還可以直接應用,比如治療癌癥,對農作物、經濟作物的誘變育種。

    中科院近代物理所產業處處長蔡曉紅介紹,重離子束穿越物質時,其動能主要損失在射程的末端,會呈現急劇增強的Bragg峰,使得這一局部細胞的DNA產生雙斷裂的幾率非常高,可有效殺死乏氧腫瘤細胞。治療時通過調節重離子能量和掃描角度,使Bragg峰的位置準確落在病灶上,精度達毫米量級,以保證對腫瘤殺傷作用最大,而對健康組織損傷小。與常規放療射線相比,重離子束具有對健康組織損傷最小、對癌細胞殺傷效果最佳、可在線監控照射位置及劑量等優勢,被譽為當代最理想的放療用射線。

    目前,利用重離子束輻照誘變生物具有突變率高、變異譜寬、穩定周期相對較短的特點。在農作物及微生物育種的研究中得到了廣泛應用,開辟了新的交叉學科領域。

    近代物理所承建的三代國家重大科學工程項目完成了數批航天元器件單粒子效應考核檢測,重離子裝置成為航天器件地面安全評估的重要基地,為我國的衛星和星載設備的安全運行提供了保障;研制了一批特殊的功能材料和納米材料;成功治療了213例淺層和深層腫瘤患者,療效非常顯著,使我國成為世界上第四個實現重離子臨床治療的國家;用重離子輻照誘變技術培育的春小麥、甜高粱、當歸、黨參、黃芪、棉花等的優良新品種和阿維菌素、黑曲霉等微生物菌種已經獲得不同程度的推廣;研發了多個系列多個型號的電子儀器和傳感器設備;自主研發的工業電子輻照加速器、電線電纜輻照處理技術、精密篩分膜技術、食品真空凍干技術、環保用高壓靜電除塵技術和原油多項分析技術等已經產業化,成為相關企業的支撐技術。

    記者手記

    在中科院蘭州分院的大院子里,近代物理所顯得特別高冷。為了保證安全,蘭州重離子加速器被單獨隔開。每每經過,無論白天夜晚、工作日還是節假日,里面機器嗡鳴的聲音呼之欲出。

    與中科院近代物理研究所接觸近5年,多次采訪,能感受到他們的工作壓力極大。科學實驗難免失敗,但在重離子加速器上的每一次失敗都要消耗大量的財力。曾有研究員私下告訴我,“國家投入這么多錢,老百姓都看著呢,我們心理壓力大啊!”在這里,沒有朝九晚五,24小時輪班工作,機器不停人不斷。我曾眼睜睜看著一位研究員的頭發在幾年間從烏黑變得花白,而他的孩子才上幼兒園。

    楊維青來自甘肅農村。在鄉親們眼中,在省城蘭州、在中科院近代物理研究所上班是一份高大上的工作。可是,每當街坊鄰居問起,“你是干什么工作的?”他總是笑而不答。因為,跟樸實的鄉親們說不清楚,重離子加速器是干什么的,重離子束又是干什么的。

    現在不一樣了,重離子治癌,在甘肅乃至全國家喻戶曉,鄉親們終于知道,科學可以為老百姓解決關系身家性命的大事。

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