2021年电力电子科普征文大赛-三等奖作品

南京航空航天大学 胡杨

《庄子》中有这样一句话，“一尺之槌，日取其半，万世不竭”。这是先贤的看法，即事物可以无限被细分。在自然界中，这种认识具有普适性。神秘的原子也是如此，虽然我们不清楚原子的完整面貌，但是所谓“见微知著”，我们能够依据现有的知识来利用原子中蕴含的“宝藏”。

原子可初步划分为原子核与核外电子，而原子核中含有质子与中子，除此之外，原子还有许多可以等待被“开发”的粒子。我们今天所探讨的重离子加速器，就是利用了原子带给人类的财富：重离子。什么叫重离子？简单来说，就是比质子重的带电粒子，包括有些读者朋友们在高中阶段接触过的碳12，铀238等元素。

（原子示意图）

而因为重离子具有特殊的性质，比如不同于光子的能量变化曲线，因此成为了科学家热衷的研究方向。

1932年，考克饶夫特和E.T.瓦尔顿制造了一台高达700kV的高压加速器，也就是我们讨论的重离子加速器的雏形。而新中国在20世纪中期这个“一穷二白”的时代仍然斥巨资建成了700eV质子静电加速器。1988年，兰州建成了用于加速重离子的分离扇形回旋加速器HIRFL。而我们在这里重点介绍的重离子加速器，就是早期离子加速器的演化。

（HIRFL内部情况）

原子核分开，并且将重离子加速，汇聚，最终得到我们需要的离子束。

聊了这么多，读者朋友们可能会产生这样一个问题：既然加速器耗资巨大，研究起来困难重重，我们为何要坚持建造呢？且听笔者细细道来。

如今，随着社会的发展，重离子加速器被广泛应用于许多领域。就拿老百姓最为关心的医疗健康问题而言，重离子加速器已经被应用于癌症的靶向治疗中，被医生形象性的称之为“定向爆破”。读者朋友们可能听说过使用X射线抑制癌细胞的手段，那为何还要使用重离子加速器治疗呢？

其实，我们所说的X射线，在被伦琴发现后，很快被人证实了它的生物学效应。但是，X射线以及伽马射线同时存在着易损伤健康细胞的问题。这时，科学家便想到使用重离子来完成治疗。原来，X射线属于光子，而光子性质与重离子有着本质上的不同。在医学上，科学家发现了重离子的能量变化规律，即布拉格峰（Bragg peak）。简而言之，重离子束只有在将要停下时才会释放出大量的能量。这个发现乍一听很平常，但是在靶向治疗领域则为医生们提供了新的思路。以重离子作为“子弹”，可以使这枚子弹在最初进入人体时尽可能释放较少的能量，当重离子到达肿瘤所在区域后，将释放大量的能量来抑制肿瘤。如此一来，患者的健康细胞就能很好的被保护，避免被“误伤”。如今，重离子治疗在中国取得了很好的成效。根据放射线医学研究所的统计，全部患者的平均治疗周期为3周，大大缩短了治疗的时间，为患者能早日恢复健康生活提供了帮助。

（重离子治疗仪器）

不仅如此，中国科学家结合国情，将重离子加速器用到了农业，科研等领域。这个咱们一会再聊。读到这里，有些朋友可能会产生这样一个问题：这个机器的结构是什么样的呢？

（图片来源于百度）

这就是兰州重离子加速器HIRFL的组成结构， 这些装置分别为放射性次级束分离线RIBLL、电子回旋共振离子源ECR、扇形聚焦回旋加速器SFC、冷却储存环主环CSRm、分离扇形回旋加速器SSC、冷却储存环实验环CSRe。

这样一个庞然大物的建设竟然跨越了数十年时间，它的建设难度从此可以见得。简单概况，我们建造这个装置的目的在于加速比α粒子重的粒子，使其接近光速，而高速的离子通过筛选汇聚成重离子束，从而为我们所用。

就这一点来说，我们首先需要加速离子，使其获得能量，再对离子的能量进行筛选。我们先忽略装置的细节，来聊聊主要的部件。

首先，我们需要使用前面提到的电子回旋共振离子源ECR以及扇形聚焦回旋加速器。

（图片来源于百度）

利用电场，使离子获得较高速度。根据爱因斯坦的质能方程e=mc²,当我们将离子速度提高时，能量随之提高，而当速度接近光速时，也就达到了人类目前可以获得的离子最大能量，这样就为我们的后续工作奠定了基础。

然后，我们使用冷却储存环来补充注入束流，从而提高了束流的强度，更增大了我们实验成功的概率。最后，“重量级选手”放射性次级束流分离线登场，这也是决定实验是否成功的关键。通过磁铁的作用，我们将偏转束流和聚焦束流同时进行，从而分离“炮弹”，得到能量足够大的重离子。

经过了这么多的环节，我们才能得到强度足够大的重离子束，从而实现目的。

朋友们，科学的研究就如同攀登珠穆朗玛峰，需要坚强的意志。如果没有中国科学家数十年如一日的艰苦攻关，中国在重离子加速器领域的研究就不会有今日的成果。而中国科学家筚路蓝缕，最终也取得了丰硕的回报。我们利用这个装置实现了甜高粱突变体的筛选，一定程度上应对了粮食危机，抵御了西北地区的风沙侵蚀。不仅如此，中科院利用重离子加速器精确测定了多个原子核质量，奠定了我国在原子核质量测定领域的国际领先地位。2013年，中国获得国际原子能质量评估中心的管理权，中国开始发布原子质量评估结果，这增强我国在科学领域的发言权。笔者由此将重离子加速器比作中国进步的“催化剂”。

或许在不久的将来，我们将见证这台机器助力中国实现又一次飞跃。电学巨人法拉第曾以新生的婴儿来比喻新兴的技术。而重离子加速这门技术当今仍处于发展阶段，当它“成年”之后又会为我们带来哪些惊喜呢？这些尚不明了。但是有一点可以确定，重离子加速器的潜力超出了我们的想象。