重離子加速器

一種用人工方法產生快速重離子(質量大於α粒子的離子)束的裝置。它利用一定形態的電磁場將重離子加速，能提供速度高達幾千、幾萬乃至接近三十萬千米每秒(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胞，是人們變革原子核和“基本粒子”，認識物質深層結構的重要工具，在工農業生產、醫療衛生、科學技術、國防建設等各個方面也都有重要而廣泛的應用。

每核子所得到的平均動能都是和被加速離子的荷質比(Q/A)成一定比例關係的。但一般重離子的荷質比遠小於1(質子的荷質比為1)，有的甚至小於0.1。為了提高加速的效率，就需要提高荷質比，一般通過提高電荷態的途徑，其方法是在粒子加速過程中，採取氣體或固體靶來剝離電子，經過剝離的重離子荷質比得以提高，在此基礎上再進一步加速，就可以有效地提高每核子的平均動能。我國粒子加速器的研製工作從八十年代起有了巨大發展。目前國內規模最大、加速粒子種類最多、能量最高的是蘭州重離子加速器。這台加速器在研製過程中，科學研究人員和工程技術人員堅持自力更生與引進消化國外先進技術相結合的方針，以自己的聰明才智和拼搏精神，克服重重困難，於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，從而向世界宣告：中國建成了繼法國(1982年出束)、日本(1986年出束)之後第三台大型重離子回旋加速器，從此跨入世界加速器研製與應用的先進行列。這一成就，是中國也是世界加速器技術發展中的重要里程碑。

重離子加速器與一般粒子加速器一樣，有三個基本組成部分：

1.離子源，用以提供所需加速的重離子。

2.真空加速系統，一個裝有加速結構的真空室，如加速管、加速腔等，用以向粒子施加一定形態的加速電場，並使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速。

3.導引、聚焦系統，包括電磁透鏡、主導磁場等。應用一定形態的電磁場來引導並約束被加速的粒子束，使之沿預定軌道接受電場加速。多數加速器還設有若干彎轉磁鐵和電磁四極透鏡等組成的束流輸運系統，用以在源和加速器之間、加速器和靶之間，或當多個加速器串聯工作時，在加速器之間輸運所需的粒子束。此外，為保證加速器的穩定運行，通常還設有電磁場的穩定設備、束流診斷和監測設備以及各項供電和操作設備。

提供一定能量，一定強度的重離子(A>4的離子)束的裝置。重離子加PIG重離子源的電荷態分佈速器的加速原理和結構基本上與質子加速器相同。但是，對於加速器來說，重離子與質子等輕離子的最大差別是它們的荷質比(Q/A)不同，這裡Q是離子的電荷態，A是它的原子質量數。一般，重離子的荷質比遠小於1(質子的荷質比=1)。為了討論方便，常用單核能En代替粒子的動能E。

En=E/A，

對直線形加速器來說，引出束流的單核能V為加速電壓。而對圓形加速器，則有這裡k正比於(Bρ)2，(Bρ)為磁剛度。由上述公式可以看出，如果要獲得與質子相同的單核能的重離子束，要麼增加磁場或圓形加速器的尺寸，要麼增加加速電壓，這樣就要大幅度地提高加速器的造價，並且以後的日常運行費用也是相當昂貴的。為了降低造價，提高(Q/A)值是較好的辦法。

在重離子加速器中，有兩種提高荷質比Q/A的方法。

（1）提高重離子源的電荷態。一個理想的重離子源應能提供強度大，壽命長，電荷態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分佈如下表。

（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坴與電荷態的分佈主要由粒子的入射能量決定，一般的說，能量愈高，平均電荷態愈高。固體剝離器的剝離效率高於氣體剝離器，但剝離后的離子的角散和能散較大。

這兩種提高（Q/A）的途徑現正廣泛地應用在重離子加速器中，特別是後者。因為剝離后的平均電荷態由入射能量決定，所以重離子加速器一般採用組合方式，即把兩台或兩台以上加速器串聯起來，中間置一剝離器。稱前級加速器為注入器，后級加速器為主加速器。重離子源安置在注入器內，或者在外部將重離子注入到注入器，離子經注入器加速后，達到一定能量，通過剝離器，將離子剝離成高電荷態的重離子。而後，進入主加速器加速，獲得較高引出能量的重離子。

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

直線加速器束流強度大，粒子種類很少限制，因此第一台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構中只能一次加速，不能反覆加速，電效率較低。很多實驗室正致力於更有效的直線加速器的研究。在高頻功率方面，回旋加速器是很經濟的，因為離子只需反覆通過同一加速結構就能不斷地增加能量，它的最大費用是由磁鐵的尺寸決定。當要求離子能量高，種類和能量可變時，由於相對論質量增加所引起的磁場變化就需要相當精湛的磁場成形技術。

同步加速器在高頻和磁鐵建造方面是比較經濟的。是獲得高能重離子的理想的加速器。

超導加速器用作重離子加速器，由於它在經濟上和技術上的巨大優越性，得到廣泛的重視。它可以在很低的微波功率下產生高加速電場，或者在很低的激磁功率下產生高的約束磁場。這些都將減小加速器尺寸，降低功率消耗和運行費用，是一種很有前途的重離子加速器。

扇形聚焦回旋加速器

在世界上多數新建和改建的重離子加速器是等時性回旋加速器（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，很多新建的裝置採用兩台或兩台以上加速器串聯起來。構成重離子加速器系統，一些是串列靜電加速器注入到回旋加速器或直線加速器，另一些是兩台回旋加速器串聯。

為了把束流從注入器傳輸到主加速器，需要有一個束流輸運系統，對注入器引出束流進行適當的形狀變換以適合主加速器對束流的要求。此外為減少由於電荷交換而引起的離子損失，對加速器和束流輸運系統要求有較高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在輸運線上應該有電荷分析裝置。重離子加速器的結構決定了它的調試和運行是比較複雜的，一般都應配備一個自動控制系統來控制調試和運行，當然，在加速器內和在輸運線上的束流診斷設備是必不可少的。

蘭州重離子加速器

蘭州負離子研究裝置，亦稱蘭州重離子加速器，是中國能量最高的大型重離子研究裝置。蘭州重離子加速器類似的中能重離子加速器現在世界上一共有8台，按建成時間排序HIRFL為第4台，法國、日本和我國都以大型分離扇回旋加速器作為主加速器。20世紀60年代以來，隨著重離子加速器的發展，原子核物理開拓了一個蓬勃發展的新領域——重離子物理。在其它學科，如原子物理、材料科學、生命科學、新能源研究、天體物理等領域，重離子束亦顯示出日益重要的應用前景並形成了重要的交叉學科。為使我國在這一前沿領域佔有一席之地，由國家投資、近物所負責設計建造，於1988年建成了蘭州重離子加速器（HIRFL），其主要技術指標達到當時國際先進水平，1991年獲中科院科技進步特等獎，1992年獲國家科技進步一等獎。1991年成立蘭州重離子加速器國家實驗室，它的定位是，以重離子物理基礎和應用研究為主，相應發展粒子加速器和實驗技術，向國內外開放的綜合性科研基地。20世紀90年代，在HIRFL上先後建成了具有國際先進水平的放射性束流線(RIBLL)和14.5GHz高電荷態ECR離子源，均獲得中科院科技進步一等獎，為我國開展放射性束物理和高離化態原子物理這些國際前沿領域的研究創造了先進的實驗條件。蘭州重離子加速器冷卻儲存環(HIRFL-CSR)——是國家“九五”最大的科學工程。蘭州重離子加速器國家實驗室已經發展成為在國際上享有較高知名度的重離子物理研究中心之一。

醫用重離子加速器

中國首台自主研發的醫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外技術設備。

這台醫用重離子加速器位於甘肅省武威市，2012年5月開始研製。目前已實現每核子400兆電子伏的碳離子束加速及非線性共振慢引出，達到了設計指標。設備可用於腫瘤患者的重離子放射治療，尤其是疑難、不宜手術、使用其他治療手段易複發的腫瘤類型。

此前，國內只有上海復旦大學腫瘤醫院擁有一套全引進的醫用重離子加速器設備。自主研發尚屬首例。

中科院近物所相關研究人員表示，這台重離子加速器是該所近60年科研經驗積累傳承的成果。重離子加速器成功出束后，就可以申請國家食品藥品監督管理總局檢測，檢測達標后開展臨床試驗，試驗指標達標就能正式對外啟用接受腫瘤患者的治療。

據了解，在腫瘤治療方面，重離子的能量沉積、精準度等優於已投用多年，技術相對成熟的質子，有明顯的物理學和生物學優勢。

2021年8月，由中科院近代物理研究所及其產業化公司研製的醫用重離子加速器成功投入應用，使中國成為第四個擁有自主研發重離子治療系統和臨床應用能力的國家。