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兰州重离子加速器:物理学家的“金刚钻”
来源:     作者:      2016-10-08 11:39       

 

■本报记者 刘晓倩

“束流是强大的工具,如果科研工作者是匠人,兰州重离子加速器提供的束流就是我们的‘金刚钻’。”中科院近代物理研究所研究员张玉虎说。

利用这个“金刚钻”,科学家们研发出重离子治癌装置、精确称重原子核、合成新核素、培育更优品种的农作物……近日,《中国科学报》记者走进大科学装置——兰州重离子加速器,体验它的运行状态,剖析它为科学研究重器作出的贡献。

庞然大物藏在半地下

兰州重离子加速器体积庞大,放在半地下的隧道中。走进加速器冷却储存环主环大厅,仿佛走进了一个彩色的磁铁世界,黄色的四极磁铁用于控制束流粗细,蓝色的二级磁铁用于改变束流的运动方向,红色的校正磁铁用于校正束流的局部轨道。肉眼看不见、摸不着的重离子束就在这些彩色磁铁中的橙色超高真空管道中“奔跑”。

“冷却储存环周长161米,离子束1秒钟在环中可以跑100万圈。”近代物理所加速器总体室研究员冒立军介绍说。

简单地说,重离子加速器像是由许多磁铁块堆积连接起来的庞然大物,包含了磁铁、高频、真空、电源、控制等多学科的设备,离子在真空环境中被磁场控制运动方向、电场加速,并通过引出系统,将加速了的离子束输送到实验物理学家需要的地方。这个庞大的“铁家伙”重1500吨,但安装与设计精度却是0.1毫米。如果这些“铁家伙”安装不精细,高速运行的重离子束就不稳定。

近代物理研究所于上世纪60年代开始建设1.7米扇聚焦回旋加速器(SFC),2008年建成冷却储存环(CSR)。经过50多年的发展与积累,如今,兰州重离子加速器已成为我国能量最高、规模最大的重离子研究装置。目前,加速器每年运行7000小时,其中5000小时为用户提供束流。

顺着冷却环继续向前走,管道在一堵铅块垒成的墙面消失,冒立军介绍说,这背后是深层治癌终端,束流从这里输送过去。除此之外,重离子加速器还有三个输送终端,分别是材料和强子物理、用于测量原子核质量等原子物理的实验物理中心、用于核子物理的外靶实验中心。

科学家远控给束流看病

冷却储存环里“奔跑”的重离子束从哪里产生?加速器运行负责人杨维青带记者来到主磁铁所在的主加速器大厅。这里平时大门紧闭,在无束流且确认安全的前提下需要刷卡才能使门向左平行移动打开。同时,门口墙上悬挂的大显示屏为即时辐射区剂量监测,数据显示为绿色,说明此时该区域的辐射几乎为零。

进入大厅,迎面是一道金属活动墙,这是一道防护水门,墙里充满了水。经过一个90度的直角转弯,由4扇巨大的蓝色磁铁构成的庞然大物出现在记者眼前。这就是分离扇回旋加速器,简称主加速器,它们每扇重500吨,从底部到顶部有近30个台阶。杨维青介绍,束流由离子源产生,经过扇聚焦回旋加速器(简称注入器)进行加速,可以进行科学实验,也可以输送到主加速器或者冷却储存环进行再加速,将束流输送到各个实验终端进行科学实验。机器运行时,工作人员不能进入辐射区域,采用远控的方式控制加速器运行,这些工作都在中央控制室完成。

从主加速器大厅出来,记者进入中央控制室,这里是一个大平台,30多台电脑好似加速器的眼睛,集中反映加速器的运行状态、运行参数、设备监测、设备控制、束流种类及强度、安全联锁等诸多内容。而重离子加速器的工作人员好似“驾驶员”和“医生”,时刻注视着加速器的运行状况。比如前几年进行重离子治癌临床试验时,他们要操控加速器,为其提供六种能量的束流,流强要足够大、保持束流光斑和病灶的大小一致、均匀度达90%以上。杨维青对记者说,每次开始治疗病人,他和同事们精神高度紧张,眼睛一刻不离电脑屏幕,保证束流稳定可靠。

中央控制室的墙边,悬挂着一张边角发黄,背面横七竖八粘满胶带的加速器总体结构图。杨维青说,科学实验需要什么离子,我们就加速什么离子。但每种离子都有自己的特性,加速过程常遇到意想不到的问题。由于加速器是由成百上千的设备组成,束流在真空中看不见也摸不着,每当遇到问题,工程师们就会集中于此,讨论问题出在哪里,因此,这张图被翻过无数次。

研究成果具有国际竞争力

“束流是强大的工具,如果科研工作者是匠人,兰州重离子加速器提供的束流就是我们的‘金刚钻’。据此,我们有了可以拿到国际舞台的研究成果,很自豪。”近代物理所精细核谱学研究组组长张玉虎研究员说。

2015年2月,兰州重离子加速器为超重终端提供氩离子束流,连续240小时保持稳定,最终合成了两种新核素——铀-215和铀-216。回忆那“打仗”一般忙碌的10天,近代物理所原子核结构研究组组长周小红研究员说,束流好似炮弹,一秒钟可以打出100万个不稳定的原子核,科研人员用束流轰击靶,使其与靶中的原子核碰撞,发生核反应,产生新的原子核。但是,能打出想要的极短寿命原子核的概率很低。

“运气好的话,一天能打出一个新原子核。”周小红说。接下来,科研人员需要从1000亿个原子核中找出一个有用的,相当于在银河系中找到一个星体,在腾格里沙漠里找到一根针。为此,科研人员建立了单个原子核灵敏的实验鉴别技术,首创了“质子—伽马”符合鉴别核素方法。

制造出新的原子核并精确测量它们的质量是各国科学家的不懈追求和梦想。然而,不稳定原子核的质量很难称量,因为他们的重量很轻,寿命也相当短。以钴-51为例,2万亿个钴-51比一粒小米还轻,寿命只有100毫秒。

“这相当于在一架满载乘客的飞机上,称重一个乘客呼吸产生的重量。”张玉虎说。从2009年开始,研究小组利用兰州重离子加速器冷却储存环制造出了可以测量短寿命原子核质量的“秤”——等时性质量谱仪。通过实验获取海量数据,再经过一年的数据处理和分析,得到了稀有核素的质量。

张玉虎说,近代物理所历时60年,三代科研人员,使用了三代加速器提供的实验条件,发现了27种新核素,首次测量出20个原子核的质量。

可应用于多个领域

重离子加速器提供的束流可以进行核物理基础研究,也可以为材料、生物科学等其他学科所用,还可以直接应用,比如治疗癌症,对农作物、经济作物的诱变育种。

中科院近代物理所产业处处长蔡晓红介绍,重离子束穿越物质时,其动能主要损失在射程的末端,会呈现急剧增强的Bragg峰,使得这一局部细胞的DNA产生双断裂的几率非常高,可有效杀死乏氧肿瘤细胞。治疗时通过调节重离子能量和扫描角度,使Bragg峰的位置准确落在病灶上,精度达毫米量级,以保证对肿瘤杀伤作用最大,而对健康组织损伤小。与常规放疗射线相比,重离子束具有对健康组织损伤最小、对癌细胞杀伤效果最佳、可在线监控照射位置及剂量等优势,被誉为当代最理想的放疗用射线。

目前,利用重离子束辐照诱变生物具有突变率高、变异谱宽、稳定周期相对较短的特点。在农作物及微生物育种的研究中得到了广泛应用,开辟了新的交叉学科领域。

近代物理所承建的三代国家重大科学工程项目完成了数批航天元器件单粒子效应考核检测,重离子装置成为航天器件地面安全评估的重要基地,为我国的卫星和星载设备的安全运行提供了保障;研制了一批特殊的功能材料和纳米材料;成功治疗了213例浅层和深层肿瘤患者,疗效非常显著,使我国成为世界上第四个实现重离子临床治疗的国家;用重离子辐照诱变技术培育的春小麦、甜高粱、当归、党参、黄芪、棉花等的优良新品种和阿维菌素、黑曲霉等微生物菌种已经获得不同程度的推广;研发了多个系列多个型号的电子仪器和传感器设备;自主研发的工业电子辐照加速器、电线电缆辐照处理技术、精密筛分膜技术、食品真空冻干技术、环保用高压静电除尘技术和原油多项分析技术等已经产业化,成为相关企业的支撑技术。

记者手记

在中科院兰州分院的大院子里,近代物理所显得特别高冷。为了保证安全,兰州重离子加速器被单独隔开。每每经过,无论白天夜晚、工作日还是节假日,里面机器嗡鸣的声音呼之欲出。

与中科院近代物理研究所接触近5年,多次采访,能感受到他们的工作压力极大。科学实验难免失败,但在重离子加速器上的每一次失败都要消耗大量的财力。曾有研究员私下告诉我,“国家投入这么多钱,老百姓都看着呢,我们心理压力大啊!”在这里,没有朝九晚五,24小时轮班工作,机器不停人不断。我曾眼睁睁看着一位研究员的头发在几年间从乌黑变得花白,而他的孩子才上幼儿园。

杨维青来自甘肃农村。在乡亲们眼中,在省城兰州、在中科院近代物理研究所上班是一份高大上的工作。可是,每当街坊邻居问起,“你是干什么工作的?”他总是笑而不答。因为,跟朴实的乡亲们说不清楚,重离子加速器是干什么的,重离子束又是干什么的。

现在不一样了,重离子治癌,在甘肃乃至全国家喻户晓,乡亲们终于知道,科学可以为老百姓解决关系身家性命的大事。