???

??? “束流是強(qiáng)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’?！敝锌圃航锢硌芯克芯繂T張玉虎說(shuō)。

???? 利用這個(gè)“金剛鉆”，科學(xué)家們研發(fā)出重離子治癌裝置、精確稱重原子核、合成新核素、培育更優(yōu)品種的農(nóng)作物。近日，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者走進(jìn)大科學(xué)裝置——蘭州重離子加速器，體驗(yàn)它的運(yùn)行狀態(tài)，剖析它為科學(xué)研究重器作出的貢獻(xiàn)。

???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(jìn)加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)大廳，仿佛走進(jìn)了一個(gè)彩色的磁鐵世界，黃色的四極磁鐵用于控制束流粗細(xì)，藍(lán)色的 二級(jí)磁鐵用于改變束流的運(yùn)動(dòng)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(jiàn)、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(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)161米，離子束1秒鐘在環(huán)中可以跑100萬(wàn)圈。”近代物理所加速器總體室研究員冒立軍介紹說(shuō)。

???簡(jiǎn)單地說(shuō)，重離子加速器像是由許多磁鐵塊堆積連接起來(lái)的龐然大物，包含了磁鐵、高頻、真空、電源、控制等多學(xué)科的設(shè)備，離子在真空環(huán)境中被磁場(chǎng)控制運(yùn)動(dòng)方 向、電場(chǎng)加速，并通過(guò)引出系統(tǒng)，將加速了的離子束輸送到實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家需要的地方。這個(gè)龐大的“鐵家伙”重1500噸，但安裝與設(shè)計(jì)精度卻是0.1毫米。如 果這些“鐵家伙”安裝不精細(xì)，高速運(yùn)行的重離子束就不穩(wěn)定。

???近代物理研究所于上世紀(jì)60年代開(kāi)始建設(shè)1.7米扇聚焦回旋加速器(SFC)，2008年建成冷卻儲(chǔ)存環(huán)(CSR)。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展與積累，如今，蘭 州重離子加速器已成為我國(guó)能量最高、規(guī)模最大的重離子研究裝置。目前，加速器每年運(yùn)行7000小時(shí)，其中5000小時(shí)為用戶提供束流。

???順著冷卻環(huán)繼續(xù)向前走，管道在一堵鉛塊壘成的墻面消失，冒立軍介紹說(shuō)，這背后是深層治癌終端，束流從這里輸送過(guò)去。除此之外，重離子加速器還有三個(gè)輸送終端，分別是材料和強(qiáng)子物理、用于測(cè)量原子核質(zhì)量等原子物理的實(shí)驗(yàn)物理中心、用于核子物理的外靶實(shí)驗(yàn)中心。

???科學(xué)家遠(yuǎn)控給束流看病

???冷卻儲(chǔ)存環(huán)里“奔跑”的重離子束從哪里產(chǎn)生？加速器運(yùn)行負(fù)責(zé)人楊維青帶記者來(lái)到主磁鐵所在的主加速器大廳。這里平時(shí)大門緊閉，在無(wú)束流且確認(rèn)安全的前提下 需要刷卡才能使門向左平行移動(dòng)打開(kāi)。同時(shí)，門口墻上懸掛的大顯示屏為即時(shí)輻射區(qū)劑量監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)顯示為綠色，說(shuō)明此時(shí)該區(qū)域的輻射幾乎為零。

???進(jìn)入大廳，迎面是一道金屬活動(dòng)墻，這是一道防護(hù)水門，墻里充滿了水。經(jīng)過(guò)一個(gè)90度的直角轉(zhuǎn)彎，由4扇巨大的藍(lán)色磁鐵構(gòu)成的龐然大物出現(xiàn)在記者眼前。這就 是分離扇回旋加速器，簡(jiǎn)稱主加速器，它們每扇重500噸，從底部到頂部有近30個(gè)臺(tái)階。楊維青介紹，束流由離子源產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)扇聚焦回旋加速器（簡(jiǎn)稱注入 器）進(jìn)行加速，可以進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，也可以輸送到主加速器或者冷卻儲(chǔ)存環(huán)進(jìn)行再加速，將束流輸送到各個(gè)實(shí)驗(yàn)終端進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。機(jī)器運(yùn)行時(shí)，工作人員不能進(jìn)入 輻射區(qū)域，采用遠(yuǎn)控的方式控制加速器運(yùn)行，這些工作都在中央控制室完成。

???從主加速器大廳出來(lái)，記者進(jìn)入中央控制室，這里是一個(gè)大平臺(tái)，30多臺(tái)電腦好似加速器的眼睛，集中反映加速器的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、 束流種類及強(qiáng)度、安全聯(lián)鎖等諸多內(nèi)容。而重離子加速器的工作人員好似“駕駛員”和“醫(yī)生”，時(shí)刻注視著加速器的運(yùn)行狀況。比如前幾年進(jìn)行重離子治癌臨床試 驗(yàn)時(shí)，他們要操控加速器，為其提供六種能量的束流，流強(qiáng)要足夠大、保持束流光斑和病灶的大小一致、均勻度達(dá)90%以上。楊維青對(duì)記者說(shuō)，每次開(kāi)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(wěn)定可靠。

中央控制室的墻邊，懸掛著一張邊角發(fā)黃，背面橫七豎八粘滿膠帶的加速器總體結(jié)構(gòu)圖。楊維青說(shuō)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guò)程常遇到意想不到的問(wèn)題。由于加速器是由成百上千的設(shè)備組成，束流在真空中看不見(jiàn)也摸不著，每當(dāng)遇到問(wèn)題，工程師們就會(huì)集中于此，討論 問(wèn)題出在哪里，因此，這張圖被翻過(guò)無(wú)數(shù)次。

???研究成果具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力

???“束流是強(qiáng)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(jù)此，我們有了可以拿到國(guó)際舞臺(tái)的研究成果，很自豪?！苯锢硭?xì)核譜學(xué)研究組組長(zhǎng)張玉虎研究員說(shuō)。

???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(xù)240小時(shí)保持穩(wěn)定，最終合成了兩種新核素——鈾-215和鈾-216?；貞浤恰按蛘獭? 一般忙碌的10天，近代物理所原子核結(jié)構(gòu)研究組組長(zhǎng)周小紅研究員說(shuō)，束流好似炮彈，一秒鐘可以打出100萬(wàn)個(gè)不穩(wěn)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(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)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(yùn)氣好的話，一天能打出一個(gè)新原子核?！敝苄〖t說(shuō)。接下來(lái)，科研人員需要從1000億個(gè)原子核中找出一個(gè)有用的，相當(dāng)于在銀河系中找到一個(gè)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(gè)原子核靈敏的實(shí)驗(yàn)鑒別技術(shù)，首創(chuàng)了“質(zhì)子—伽馬”符合鑒別核素方法。

???制造出新的原子核并精確測(cè)量它們的質(zhì)量是各國(guó)科學(xué)家的不懈追求和夢(mèng)想。然而，不穩(wěn)定原子核的質(zhì)量很難稱量，因?yàn)樗麄兊闹亓亢茌p，壽命也相當(dāng)短。以鈷-51為例，2萬(wàn)億個(gè)鈷-51比一粒小米還輕，壽命只有100毫秒。

???“這相當(dāng)于在一架滿載乘客的飛機(jī)上，稱重一個(gè)乘客呼吸產(chǎn)生的重量?！睆堄窕⒄f(shuō)。從2009年開(kāi)始，研究小組利用蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)制造出了可以測(cè) 量短壽命原子核質(zhì)量的“秤”——等時(shí)性質(zhì)量譜儀。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取海量數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)一年的數(shù)據(jù)處理和分析，得到了稀有核素的質(zhì)量。

???張玉虎說(shuō)，近代物理所歷時(shí)60年，三代科研人員，使用了三代加速器提供的實(shí)驗(yàn)條件，發(fā)現(xiàn)了27種新核素，首次測(cè)量出20個(gè)原子核的質(zhì)量。

???可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域

???重離子加速器提供的束流可以進(jìn)行核物理基礎(chǔ)研究，也可以為材料、生物科學(xué)等其他學(xué)科所用，還可以直接應(yīng)用，比如治療癌癥，對(duì)農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物的誘變育種。

中科院近代物理所產(chǎn)業(yè)處處長(zhǎng)蔡曉紅介紹，重離子束穿越物質(zhì)時(shí)，其動(dòng)能主要損失在射程的末端，會(huì)呈現(xiàn)急劇增強(qiáng)的Bragg峰，使得這一局部細(xì)胞的DNA產(chǎn)生 雙斷裂的幾率非常高，可有效殺死乏氧腫瘤細(xì)胞。治療時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)重離子能量和掃描角度，使Bragg峰的位置準(zhǔn)確落在病灶上，精度達(dá)毫米量級(jí)，以保證對(duì)腫瘤 殺傷作用最大，而對(duì)健康組織損傷小。與常規(guī)放療射線相比，重離子束具有對(duì)健康組織損傷最小、對(duì)癌細(xì)胞殺傷效果最佳、可在線監(jiān)控照射位置及劑量等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù) 為當(dāng)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(wěn)定周期相對(duì)較短的特點(diǎn)。在農(nóng)作物及微生物育種的研究中得到了廣泛應(yīng)用，開(kāi)辟了新的交叉學(xué)科領(lǐng)域。

近代物理所承建的三代國(guó)家重大科學(xué)工程項(xiàng)目完成了數(shù)批航天元器件單粒子效應(yīng)考核檢測(cè)，重離子裝置成為航天器件地面安全評(píng)估的重要基地，為我國(guó)的衛(wèi)星和星載 設(shè)備的安全運(yùn)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(guó)成為世界上第四個(gè)實(shí)現(xiàn)重離 子臨床治療的國(guó)家；用重離子輻照誘變技術(shù)培育的春小麥、甜高粱、當(dāng)歸、黨參、黃芪、棉花等的優(yōu)良新品種和阿維菌素、黑曲霉等微生物菌種已經(jīng)獲得不同程度的 推廣；研發(fā)了多個(gè)系列多個(gè)型號(hào)的電子儀器和傳感器設(shè)備；自主研發(fā)的工業(yè)電子輻照加速器、電線電纜輻照處理技術(shù)、精密篩分膜技術(shù)、食品真空凍干技術(shù)、環(huán)保用 高壓靜電除塵技術(shù)和原油多項(xiàng)分析技術(shù)等已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成為相關(guān)企業(yè)的支撐技術(shù)。

???后記

???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(dú)隔開(kāi)。每每經(jīng)過(guò)，無(wú)論白天夜晚、工作日還是節(jié)假日，里面機(jī)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?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)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(cái)力。曾有 研究員私下告訴我，“國(guó)家投入這么多錢，老百姓都看著呢，我們心理壓力大??！”在這里，沒(méi)有朝九晚五，24小時(shí)輪班工作，機(jī)器不停人不斷。我曾眼睜睜看著 一位研究員的頭發(fā)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(lái)自甘肅農(nóng)村。在鄉(xiāng)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?？墒?，每當(dāng)街坊鄰居問(wèn)起，“你是干什么工作的？”他總是笑而不答。因?yàn)?，跟樸?shí)的鄉(xiāng)親們說(shuō)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(xiàn)在不一樣了，重離子治癌，在甘肅乃至全國(guó)家喻戶曉，鄉(xiāng)親們終于知道，科學(xué)可以為老百姓解決關(guān)系身家性命的大事。