[科普中国]-重离子加速器

介绍

一种用人工方法产 生快速重离子 (质量大于α粒子的离子)束的装置。它利用一定形态的电磁场将重离子加速，能提供速度高达几千、几万乃至接近三十万千米每秒(真空中的光速)的高能量的重离子束，用以轰击原子核、原子、分子、固体晶格乃至生物细胞，是人们变革原子核和“基本粒子”，认识物质深层结构的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面也都有重要而广泛的应用。

对于加速器来说，重离子与质子等轻离子的最大差别是它们的荷质比(Q/A)不同。这里Q是离子的电荷态，A是它的原子质量数。每核子所得到的平均动能都是和被加速离子的荷质比(Q/A)成一定比例关系的。但一般重离子的荷质比远小于1(质子的荷质比为1)，有的甚至小于0.1。为了提高加速的效率，就需要提高荷质比，一般通过提高电荷态的途径，其方法是在粒子加速过程中，采取气体或固体靶来剥离电子，经过剥离的重离子荷质比得以提高，在此基础上再进一步加速，就可以有效地提高每核子的平均动能。我国粒子加速器的研制工作从八十年代起有了巨大发展。目前国内规模最大、加速粒子种类最多、能量最高的是兰州重离子加速器。这台加速器在研制过程中，科学研究人员和工程技术人员坚持自力更生与引进消化国外先进技术相结合的方针，以自己的聪明才智和拼搏精神，克服重重困难，于1988年12月12日首次引出能量为每核子50兆电子伏特的碳离子来，从而向世界宣告：中国建成了继法国(1982年出束)、日本(1986年出束)之后第三台大型重离子回旋加速器，从此跨入世界加速器研制与应用的先进行列。这一成就，是中国也是世界加速器技术发展中的重要里程碑。2

组成部分重离子加速器与一般粒子加速器一样，有三个基本组成部分：

1.离子源，用以提供所需加速的重离子。

2.真空加速系统，一个装有加速结构的真空室，如加速管、加速腔等，用以向粒子施加一定形态的加速电场，并使粒子在不受空气分子散射的条件下加速。

3.导引、聚焦系统，包括电磁透镜、主导磁场等。应用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场加速。多数加速器还设有若干弯转磁铁和电磁四极透镜等组成的束流输运系统，用以在源和加速器之间、加速器和靶之间，或当多个加速器串联工作时，在加速器之间输运所需的粒子束。此外，为保证加速器的稳定运行，通常还设有电磁场的稳定设备、束流诊断和监测设备以及各项供电和操作设备。

工作原理提供一定能量，一定强度的重离子(A>4的离子)束的装置。重离子加速器的加速原理和结构基本上与质子加速器相同。但是，对于加速器来说，重离子与质子等轻离子的最大差别是它们的荷质比(Q/A)不同，这里Q是离子的电荷态，A是它的原子质量数。一般，重离子的荷质比远小于1(质子的荷质比=1)。为了讨论方便，常用单核能En代替粒子的动能E。

En=E/A，

对直线形加速器来说，引出束流的单核能 V为加速电压。而对圆形加速器，则有 这里k正比于(B ρ)2，(B ρ)为磁刚度。 由上述公式可以看出，如果要获得与质子相同的单核能的重离子束，要么增加磁场或圆形加速器的尺寸，要么增加加速电压，这样就要大幅度地提高加速器的造价，并且以后的日常运行费用也是相当昂贵的。为了降低造价，提高(Q/A)值是较好的办法。

改善方案在重离子加速器中，有两种提高荷质比Q/A的方法。

（1）提高重离子源的电荷态。一个理想的重离子源应能提供强度大，寿命长，电荷态高的不同离子的束流，一般用电子轰击原子和等离子体中的离子，或者用快速离子剥离方法得到高电荷态离子流。电子轰击源的通量密度要求很大，重离子加速器使用的重离子源是PIG源和双等离子体源。由PIG重离子源引出几种典型重离子流的电荷态分布如下表。

（2）剥离离子（即原子的剥离）的外层电子。常用的剥离器有固体（如碳膜）和气体两种，剥离外层电子后的离子平均电荷态坴 与电荷态的分布主要由粒子的入射能量决定，一般的说，能量愈高，平均电荷态愈高。固体剥离器的剥离效率高于气体剥离器，但剥离后的离子的角散和能散较大。

这两种提高（Q/A） 的途径现正广泛地应用在重离子加速器中，特别是后者。因为剥离后的平均电荷态由入射能量决定，所以重离子加速器一般采用组合方式，即把两台或两台以上加速器串联起来，中间置一剥离器。称前级加速器为注入器，后级加速器为主加速器。重离子源安置在注入器内，或者在外部将重离子注入到注入器，离子经注入器加速后，达到一定能量，通过剥离器，将离子剥离成高电荷态的重离子。而后，进入主加速器加速，获得较高引出能量的重离子。

静电加速器在各类重离子加速器中，静电加速器的特点是直流工作，能提供斑点小，能量精度高的各种重离子束流。

直线加速器束流强度大，粒子种类很少限制，因此第一台能加速周期表上全部元素的离子的全离子加速器就是直线型的加速器，这类加速器也是高能重离子装置中主加速器──同步加速器的理想的注入器。但离子在加速器的加速结构中只能一次加速，不能反复加速，电效率较低。很多实验室正致力于更有效的直线加速器的研究。在高频功率方面，回旋加速器是很经济的，因为离子只需反复通过同一加速结构就能不断地增加能量，它的最大费用是由磁铁的尺寸决定。当要求离子能量高，种类和能量可变时，由于相对论质量增加所引起的磁场变化就需要相当精湛的磁场成形技术。

同步加速器在高频和磁铁建造方面是比较经济的。是获得高能重离子的理想的加速器。

超导加速器用作重离子加速器，由于它在经济上和技术上的巨大优越性，得到广泛的重视。它可以在很低的微波功率下产生高加速电场，或者在很低的激磁功率下产生高的约束磁场。这些都将减小加速器尺寸，降低功率消耗和运行费用，是一种很有前途的重离子加速器。

实例扇形聚焦回旋加速器在世界上多数新建和改建的重离子加速器是等时性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列静电加速器。为了得到较高能量，很多新建的装置采用两台或两台以上加速器串联起来。构成重离子加速器系统，一些是串列静电加速器注入到回旋加速器或直线加速器，另一些是两台回旋加速器串联。

为了把束流从注入器传输到主加速器，需要有一个束流输运系统，对注入器引出束流进行适当的形状变换以适合主加速器对束流的要求。此外为减少由于电荷交换而引起的离子损失，对加速器和束流输运系统要求有较高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在输运线上应该有电荷分析装置。 重离子加速器的结构决定了它的调试和运行是比较复杂的，一般都应配备一个自动控制系统来控制调试和运行，当然，在加速器内和在输运线上的束流诊断设备是必不可少的。

兰州重离子加速器兰州负离子研究装置，亦称兰州重离子加速器，是中国能量最高的大型重离子研究装置。类似的中能重离子加速器现在世界上一共有8台，按建成时间排序HIRFL为第4台，法国、日本和我国都以大型分离扇回旋加速器作为主加速器。20世纪60年代以来，随着重离子加速器的发展，原子核物理开拓了一个蓬勃发展的新领域——重离子物理。在其它学科，如原子物理、材料科学、生命科学、新能源研究、天体物理等领域，重离子束亦显示出日益重要的应用前景并形成了重要的交叉学科。为使我国在这一前沿领域占有一席之地，由国家投资、近物所负责设计建造，于1988年建成了兰州重离子加速器（HIRFL），其主要技术指标达到当时国际先进水平，1991年获中科院科技进步特等奖，1992年获国家科技进步一等奖。 1991年成立兰州重离子加速器国家实验室，它的定位是，以重离子物理基础和应用研究为主，相应发展粒子加速器和实验技术，向国内外开放的综合性科研基地。 20世纪90年代，在HIRFL上先后建成了具有国际先进水平的放射性束流线(RIBLL)和14.5GHz高电荷态ECR离子源，均获得中科院科技进步一等奖，为我国开展放射性束物理和高离化态原子物理这些国际前沿领域的研究创造了先进的实验条件。 兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)——是国家“九五”最大的科学工程。 兰州重离子加速器国家实验室已经发展成为在国际上享有较高知名度的重离子物理研究中心之一。3

医用重离子加速器中国首台自主研发的医用重离子加速器成功出束。这意味着肿瘤患者的重离子放射治疗将不再依赖国外技术设备。1

这台医用重离子加速器位于甘肃省武威市，2012年5月开始研制。目前已实现每核子400兆电子伏的碳离子束加速及非线性共振慢引出，达到了设计指标。设备可用于肿瘤患者的重离子放射治疗，尤其是疑难、不宜手术、使用其他治疗手段易复发的肿瘤类型。

此前，国内只有上海复旦大学肿瘤医院拥有一套全引进的医用重离子加速器设备。自主研发尚属首例。

中科院近物所相关研究人员表示，这台重离子加速器是该所近60年科研经验积累传承的成果。重离子加速器成功出束后，就可以申请国家食品药品监督管理总局检测，检测达标后开展临床试验，试验指标达标就能正式对外启用接受肿瘤患者的治疗。

据了解，在肿瘤治疗方面，重离子的能量沉积、精准度等优于已投用多年，技术相对成熟的质子，有明显的物理学和生物学优势。1