兰州重离子加速器:探索造福民生的宇宙“龙”
近日，我国首个具有自主知识产权的碳离子治疗系统投入临床应用，兰州重离子加速器也展示了癌症治疗的成绩单：甘肃武威重离子中心治疗患者300余例，治疗后患者疗效显著，耐受性良好。
“兰州重离子研究中心是目前中国唯一的中低能重离子加速器，能量居亚洲之首。但是，这个大国从基础研究走向民生应用，用了28年。”中国科学院院士、中国科学院现代物理研究所(以下简称现代物理研究所)党委书记赵宏伟说，这些重大科研成果的取得，离不开65年来几代科学家的接力建设。
“如果把研究人员比作工匠，兰州重离子加速器提供的光束就是我们手中的‘金刚钻’。”现代物理研究所核物理中心首席科学家张玉虎研究员表示，随着重离子加速器的不断“进化”，科学家可以不断产生重离子治癌装置、短寿命核质量的精确测量、新核素的合成、农作物优良品种的培育等一系列成果。
“我们一定能建成自己的回旋加速器”
如果把重离子加速器比作巨龙，那么电子回旋共振离子源就是水龙头，也就是发射炮弹的地方。1.7米扇形聚焦回旋加速器、大型分离式扇形回旋加速器、蓄冷环主环、实验环和放射性束流线组成一条长龙体，各种实验终端应用为柔性龙尾。
走进重离子加速器兰州国家实验室，中国重离子产业奠基人杨承忠院士雕像矗立在巨大的展厅中央。对于现代物理研究所的人来说，他们更喜欢称呼杨承忠为“杨老师”。
“在‘一五’期间，以杨承忠老师为代表的一批科学家来到条件十分艰苦的兰州，以坚定的信念和创新发展的决心建造了1.5米回旋加速器。”赵宏伟告诉《科技日报》记者，经历了三年的自然灾害和苏联政府破坏合同、撤回专家的困境。
是杨承忠带领所有的工程技术人员通过自力更生战胜了困难。最后，1964年5月，1.5米回旋加速器正式投入科研运行，为我国核物理研究创造了重要的实验条件。
1972年，时任研究所所长的杨承忠提出在兰州建设大型分离扇重离子回旋加速器(SSC)，以使我国重离子物理研究尽快走向国际核物理研究的前沿。
“当时国际上对重离子物理的研究刚刚起步，老一辈科学家的前瞻性思维和战略眼光为这一未来发展开辟了新的视角。”赵宏伟说道。
时间的脚步来到了七五。后来，中国科学院院士、现代物理研究所所长魏追随其老师杨承忠的脚步，致力于重离子加速器的研制。
可以想象，很难在贫穷的基础上做研究。1975年底，加速器建设方案研讨会召开。根据研究结果，魏抛出了一个激动人心的结论：“理论依据是可靠的，我们当然可以建造自己的回旋加速器。”
1976年11月，原国家计委批准了兰州重离子加速器建设计划。经过十二年的寒暑，经过老、中、年轻一代的努力，我国第一台大型重离子加速器终于在1988年底建成。可惜杨承忠没有等到这一刻。
兰州重离子加速器的成功宣布，我国建成了继法国、日本之后的第三座大型重离子回旋加速器。1992年，这一重大成果获得国家科技进步奖一等奖。兰州重离子加速器，三重离子加速器之一
90年代中期，魏鲍文老师提出了在兰州重离子加速器上继续建造冷却储存环的设想学生赵宏伟表示，当时老师并不完全确定，但意识到要加速重离子并向前迈进一步，提高束流强度和能量，扩大束流品种。
为此，魏带领夏、赵宏伟等三位后来成为院士的研究生进行前期研究，论证了项目的可行性。2000年，兰州重离子加速器冷却储存环(CSR)建设被列为国家“九五”科技项目之一。
时任中国科学院院长、后院士、中国科学院副院长詹担任项目经理，接过魏的接力棒，带领一批优秀青年，开始了长达十年的持续奋斗。
2008年，兰州重离子加速器冷却储存环建成并投入运行。它实现了所有离子从氢到铀的加速，完成了从低能到中能到高能的飞跃。成为世界级大型核物理实验装置和世界级重离子科研平台。
ass="one-p">令人振奋的是，兰州重离子加速器冷却储存环能让上亿个重离子同步运行，自主研制率逾90％。敲开原子核，探寻宇宙奥秘
历经“1.5米经典回旋加速器”“兰州重离子研究装置”和“兰州重离子加速器冷却储存环”三代国家大科学工程建设, 兰州重离子研究装置在国内外声名鹊起，也培养了一批本领过硬、潜心科研的人才。
人类探索星空的脚步从未停歇，好奇心驱使着人类一次次仰望星空，一步步接近宇宙和科学的奥义。然而，我们对浩瀚的宇宙还知之甚浅，比如，比铁更重（包括铁在内）的元素的起源、产生的途径缺乏科学数据的支撑，所以，宇宙天体演化形成过程虽然绚烂，但却扑朔迷离，依然存在大量未知。
“科学家要拿极低截面——发生概率很低的实验数据去解释一些国际前沿科学问题，这就要发展更先进的实验技术和探测方法。”近代物理所加速器技术中心副主任孙良亭研究员解释说，为拿到更多的有用数据、提高实验精度与效率，发展高流强、高电荷态的重离子离子源迫在眉睫。
于是，近代物理所在2005年成功研制了国际上最先进的第三代超导高电荷态电子回旋共振（ECR）离子源装置。如今，在老师赵红卫院士的带领下，孙良亭正和所在团队攻关研发世界首台45GHz（吉赫）基于铌三锡超导磁体的高电荷态ECR离子源。
制造出新的原子核并精确测出质量，是科学家们的不懈追求和梦想，原子核的质量数据对核天体物理具有重要的应用价值。
“以钴-51为例，2万亿亿个钴-51比一粒小米还轻，寿命只有100毫秒。”张玉虎说，“眨一下眼睛的功夫，这个原子核已经死亡10次了。”
2009年起，近代物理所科研人员利用兰州重离子加速器冷却储存环，制造出了可以测量短寿命原子核质量的“秤”——等时性质量谱仪，其精确度可达10-7。
“10-7量级的精度，相当于在一架空客A380上可分辨出一个U盘的质量。“张玉虎笑着说，通过不断的技术和方法创新，当前，近代物理所保持着测量寿命最短和精度最高的世界纪录。
科学家把各种不同的原子核统称为核素。核理论家们预言核素约有8000多个，目前自然界存在的稳定的原子核只有280多种，科学家们利用加速器人工合成3000多种不稳定的放射性核素。
借助重离子加速器装置，近代物理所的科学家们合成研究了32个新核素，它们正逐渐在医学、材料研究、农业等领域得到应用。
加速科技进步，“重”在造福民生
“加速器加速科技进步，重离子重在造福人民。”中国科学院原院长白春礼的题词，陈列在近代物理所学术报告厅。大科学装置的应用要“顶天立地”，这也是几代近代物理所人建设发展重离子加速器的初心。
近年来，兰州重离子加速器在基础研究领域产出丰厚，相关成果应用也是多点开花，如开展航天元器件地面检测和评估工作，成为相关部门指定的检测基地。
“上天的卫星及其所携带的电子设备，不可避免会暴露在充满高能电子、质子和重离子等空间辐射环境中，高能宇宙射线会造成大多数半导体器件出现单粒子效应，严重威胁航天器在轨安全。”近代物理所材料中心主任刘杰研究员说，依托兰州重离子加速器大科学装置，科研人员建造了具有国际一流技术指标单粒子效应地面模拟装置，更好地为中国航天元器件保驾护航。
重离子技术用于治癌，成为基础研究促进科技发展、大科学装置造福社会的典范。1993年以来，近代物理所先后建成多代大型重离子加速器装置，通过先进加速器技术和核探测技术研发、重离子束治疗的相关生物学基础研究以及临床前期试验研究，使中国成为世界上第四个实现重离子束临床治疗的国家。
“国产重离子治疗系统的很多标准都是由我们起草的，从基础研究到技术研发，从产品示范再到临床应用，这个过程是自主创新的生动实践。”全国政协委员、近代物理所产业化总监蔡晓红研究员说。
走进计划于今年底投入运营的兰州重离子医院，占地长80米、宽50米、净高达18米的重离子治疗设备闯入眼帘。
“把重离子从离子源引出来，经过注入器预加速，然后在同步加速器中加速到最高能量——每核子400兆电子伏，它在人体里穿透的射程可达27厘米，能满足不同深度肿瘤的治疗。”蔡晓红介绍，重离子治疗的副作用小，疗程短、疗效好，特别适合于不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分实体肿瘤的治疗。
与常规放疗射线相比，重离子在人体中的剂量损失集中于射程末端，在剂量随射程分布曲线末端形成高剂量的布拉格峰。通过调节入射离子的能量和方向，可使布拉格峰精准轰击肿瘤靶区，精度达毫米量级，而对沿途和周围健康组织的损伤最小。
碳离子是适于治疗肿瘤的一种重离子。一年前在甘肃武威投入运营的我国首台自主研制的碳离子治疗系统，从2014年4月开始安装，直至获得国家药品监督管理局批准上市，历时5年多。
“从科研设备到医疗器械产品，完全是两个概念。”作为该项目的全程参与者，蔡晓红深有感触地说。她还通过政协提案的方式，及时反映了重离子技术研发和示范应用过程中急需解决的问题，国家药品监督管理局因此把重离子治疗设备的注册纳入创新医疗器械注册的绿色通道。
谈及重离子治癌未来的发展，蔡晓红的愿望是，让更多肿瘤患者能享受这一新技术带来的福利。同时，通过超导技术的应用，让治疗设备更加小型化、智能化，以减小占地面积、提高治疗效率。