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綜述及基本情況
蘭州重離子研究裝置(HIRFL),亦稱蘭州重離子加速器,包括電子回旋共振(ECR)離子源、1.7 米扇聚焦回旋加速器(SFC)、大型分離扇回旋加速器(SSC)、冷卻儲存環(CSR)主環和實驗環、放射性束流線、實驗終端等部分。
HIRFL 是我國規模最大、可以加速全離子的重離子平面設計研究裝置,可提供多種類、寬能量范圍、高品質的穩定核束和放射性束,主要技術指標達到國際先進水平。1991 年 8 月13日,原國家計委批準大圖輸出成立蘭州重離子加速器國家實驗室。目前,HIRFL 年運行時間超過 7 000 小時,年供束時間約 5 000 小時,年提供不同能量、不同電荷態的離子種類 20 多種,已為國內外 200 多個用戶單位提供了實驗條件。
依托蘭州重離子加速器,中國科學院近代物理研究所(以下簡稱“近代物理所”)取得了以新核素合成、短壽命原子核質量測量、重離子腫瘤治療、輻照誘變育種等為代表的一批科技創新成果,為我國重離子科學與研究技術和區域經濟發展作出了重要貢獻。
研究進展與成果
蘭州重離子研究裝置的建設
1988 年,國家大科學工程“分離扇重離子回旋加速器(SSC)”建成,其等時性磁場精度為 1×10−4、5 個高頻諧振腔,相對相位精度為 0.7°,100 m3 整體式大型互動裝置真空室真空度達 2×10−8 Torr。SSC 是我國自主研制的首臺大型中能重離子加速器裝置(最高能量為 100 AMeV),也是目前國際上正在運行的三大常溫重離場地佈置子回旋加速器之一。在最近20年中,為產生強流高電荷態離子束,成功研制出常溫線圈、全永磁、蒸發冷沈浸式體驗卻和全超導電子回旋共振離子源,在國際上形成獨特的 ECR 離子源體系,一直保持著高電荷態重離子連續束流強度的世界紀錄,引領著國際強流高電荷態離子束產生及 啟動儀式ECR 離子源技術發展。
依托蘭州重離子加速器,1991 年原國家計委批準成立蘭州重離子加速器國家實驗室,開啟了我國重離子物理及其相關交叉學科的研究,形成了在國際上有重要位置的重離子科學與技術研究基地。“蘭州重離子研究裝置”于 1991 和 1992 年獲中國科學院科技進步獎特等獎和國家科技進步獎一等獎。趙紅衛和孫品牌活動良亭研究員曾分別獲國際離FRP子源領域最高獎“Brightness Award”和首屆“Geller Prize”獎(為亞洲科學家首次獲獎)。“超導高電荷態 ECR 離子源”獲 2008 年度國家科技進步獎二等獎。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環工程
20 世紀 90 年代初,為使我國重離子物理研究在部分前沿領域繼續保持國際先進,近代物理所提出在蘭州重離子加速器上續建冷卻儲存環的計劃并進行了預先研究,其目的是提高束流強度,拓寬束展覽策劃流種類,讓重離子加速器再進一步達到開展放射性束核物理、平面設計高離化態原子物理研究、超重元素合成探索研究以及相關交叉學科和重離子束應用研究的科學目標。1998 年,蘭州重離子加速器冷卻儲存環國家重大科學工程批準立項;1999 年通過中國科學院的初步設計及概算論證;2000 年開工建設,主要建設內容是主包裝設計環、實驗環、束流輸運線、放射性束分離器、輻射防護系統等。蘭州重離子加速器冷卻儲存環于大型公仔 2005 年建成,2007 年出束,2008 年通過國家驗收。該項目自主研制各類大型非標設備占設備總數的 70% 以上,主環加速離子的最高能量、束流強度和動量分散均達到或超過設計指標。蘭州重離子加速器冷卻儲存環的建成使我國重離子物理及其交叉學科在國際前沿領域的激烈競爭中保持一席之地。該記者會研究榮獲中國科學院杰出成就獎,國家科技進步獎二等獎。
新核素合成研究獲重要進展
近代物理所創新性地將“質子-伽馬”符合方法用于鑒別新核素,比國際通用方法靈敏度提高了約 50 倍,使我國在豐質子活動佈置新核素合成研究方向上走到了國際最前列,合成了11 種稀土新核素,觀測了 22 種原子核的 β 緩發質子衰變,建立了15 種原人形立牌子核的 EC/β+ 衰變綱圖,測量了一批原子核的壽命,發現極豐質子稀土原子核普遍具有大形變。研制了高效率的充氣反沖核分離器,研發了單原子靈敏的探測鑒別技術,在極端缺中子的錒系核區,合成了7種新核素,提供了中子殼 N=126 在 Np 同位素中仍然存在的實驗證據,觀測到了核素圖中最重的質子滴線外核素。
發表 SCI 論文逾百篇。30 種新核素被國際通用工具手冊以及日、美、法等國的核素圖收錄舞臺背板并引用上百次。國際原子能機構、美國國家核數據庫、國際核數據期刊編評了該團隊產生的核數據,累計篇幅 100 多頁。“重質量豐中子新核素的合成、鑒別和研究”獲 1999 年度國家自然科學獎二等獎;“中重缺中子區近滴線新核素合成及核結構實驗研究”獲 2007 年度國家自然科學獎互動裝置二等獎;“重(輕)離子合成新核素及衰變性質、核結構和生成機制研究”于 2009 年入選新中國模型成立 FRP60 周年“創新中國的 60 項科學成就”;研究工作先后 7 次入選年度中國十大科技進展、科技事件、科技成就、科技新聞等。
原子核質量精確測量
近代物理所在國際上率先實現了基于存儲玖陽視覺環“雙飛行時間探測器質道具製作譜術”,開發了新的數據分析方法,先后測量和提高了 60 余種原子核質量,保持著測量壽命最短和精度最高世界紀錄。自 2013 年,近代物理所負責主沈浸式體驗持國際原子核質量評估中心,權威發布原子核質量數據,受 AME 原子核質量數據等因素影響,《中國物理 C》(Chinese Physics C)影響因子從 2013 年的 0.819 攀升至 2017 年的 5.09。在 2014 年中國科學院組織的國際評估中,短壽命原子核質量精確測量被國際專家組評為“IMP has reached wor經典大圖ld top level in direct mass measurement”。經近代物理所聯合法國核譜質譜中心(CSNSM-Orsay)、美國阿貢國家實驗室(ANL)和日本理化學研究所(RIKEN)等多家研究機構的經典大圖研究人員共同努力,編輯了最新版本的原子核質量數據評價 AME 2016,于2017 年 3 月在《中國物理 C》發表。2018 年,英國物理學會(IOP)對 2015—2017 年在英國皇家物理學會(IOP)期刊發表的所有論文進行評選,對被引次數在所屬領域排名為前百分之一的論文通訊作者進行表彰,發布了“2018 英國物理學會高被引中國作者獎”,原子核質量精確測量的負責人王猛研究員入選該獎項。
重離子治癌從基礎研究到產業化推廣
重離子以其獨特的深度劑量分布和高的相對生物學效應,在國際上被譽為 21 世紀最理想的放療用射線。發展重離子治療技術,符合建設健康沈浸式體驗中國,引領產業發展的國家戰略。
近代物理所從 1993 年起利用蘭州重離子加速器提供的中能重離子束,開展了重離子束輻射生物學效應及其機理研究,奠定了重離子束治療腫瘤的基礎。先后建成了體表和體內腫瘤治療終端,成立了“甘肅省重離子束治療腫瘤臨床研究基地”。
2006 年11月— 2014 年 1月,近代物理所與蘭州軍區蘭州總醫院和甘肅省腫瘤醫院合作,進行了 8 批 103 例體表腫瘤患者和 10 批 110 例體內腫瘤患者重離子臨床治療前期試道具製作驗研究,取得很好的效果。
通過蘭州重離子冷卻儲存環大科學工程全息投影的建設和重離子臨床試驗治療的實踐,近代物大型公仔理所培養了一支高水平的重離子束治療研究和治療裝置研發人才隊伍,掌握了核心關鍵技術,申請了 6人形立牌0 余項專利,其中 2 項專利獲第 13 屆、16 屆人形立牌中國專利優秀獎,形成了一批自有知識產權,具備了自主研發重離子治療專用裝置并使之產業化的實力。2012 年開始建設武威、蘭州示范記者會裝置。2019 年武威裝置完成 46 例臨床實驗,9 月 29 日,國家藥品監督管理局批準碳離子治療系統注冊上市。(中國科學院院刊供稿)
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