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中国科学院夏佳文院士为您讲述:重离子加速器如何检测“天问一号”

2020-11-09   中国军网   阅读量:164

中国科学院近代物理研究所副所长夏佳文院士为您讲述——

重离子加速器如何检测“天问一号”

方潇澎 王泽民 胡明生

上图为重离子加速器一角。图片来自网络

    今年7月23日,我国首次发射火星探测器“天问一号”,吸引了世人目光。“天问一号”的轨道飞行器和火星巡视车搭载的科学载荷,要在太空成功“存活”并不容易,很可能受离子辐射而出现翻转失控、数据和图像无法传输等情况。

    因此,在升空前,它们的元器件都需要在单粒子效应地面模拟实验平台进行离子检测。要建设这一平台,必须利用一种科学重器——重离子加速器。

    这一科学重器,不仅航天领域离不开,在材料物理、生物农业、医疗等领域也是大放异彩,因此又有着新原理、新技术、新方法、新工艺“创新摇篮”的美誉。

    基础领域研究催生“大科学工程”

    “天问一号”正飞向火星。对于它的各种技术解读也纷至沓来:由于火星光照特殊,“天问一号”的太阳能电池板“翅膀”需要比月球探测器更大更灵活;从地面向“天问一号”发出一道指令,探测器要在23分钟以后才能执行,“天问一号”需要采用更大口径的天线;火星的重力不一样,特殊的动力特性给“天问一号”的结构强度、驱动力都提出了全新要求……

    然而,有一个关键步骤鲜为人知——“单粒子效应评估”,也就是离子检测。

    大多数半导体器件受到宇宙中各种各样射线的辐射,会发生“单粒子效应”,导致“罢工”失效。更严重者,辐射可能直接让航天器本身出现翻转失控、数据和图像无法传输等情况。“天问一号”的本体是电子产品,也有很多半导体器件,在翱翔宇宙时这些器件难免会受到“太阳风”、紫外线、宇宙射线等的辐射。如果不解决“单粒子效应”问题,“天问一号”就飞不到火星。

    能不能制造出抵御宇宙辐射的半导体器件?如何确定航天器的半导体器件能够抵御宇宙辐射?科学家们想到一个办法:将制造出来的半导体器件放在模拟宇宙射线的环境中接受检测,而后再采取应对之策。

    科学家们将“重任”赋予重离子加速器,用它来模拟“制造”宇宙辐射,结果使问题迎刃而解。我国这次探火行动,就是预先利用重离子加速器对“天问一号”进行“淬火”的。

    这是重离子加速器较为直观的应用方式。更多时候,它扮演的则是“幕后角色”,在高能粒子物理、核天体物理等基础研究领域大放异彩。

    对于基础研究领域,熟悉科幻小说《三体》的读者不会陌生。小说中,外星人仅利用一个“质子”,便阻止了全人类科学的进步。这个情节虽然是科幻,但不得不承认的是,现代科学发展很大部分都依赖于基础研究的进步。而重离子加速器在世界科技发展史上就扮演了一个极其重要的角色。

    重离子加速器从建造过程到实验终端,能带领一大批学科发展,派生很多全新技术。它是许多学科领域开展创新研究不可或缺的技术和手段支撑,是一个集基础研究、应用研究、技术开发于一体的综合性重大科技项目,是一个跨学科、跨领域、跨层次的复杂巨系统。同时,也是解决关键技术难题、催生战略新兴产业和提升国家整体科技实力的有效途径,具有重大战略价值。这也是我国早早地将重离子加速器确立为重点建设的“大科学工程”的原因所在。

    别样的离子发射“大炮”

    重离子加速器,可简单理解为离子发射“大炮”。它能将重离子加速到很高的速度,甚至接近光速,从而形成重离子束,并用于开展重离子物理研究。

    一般来说,重离子加速器有4个基本组成部分:离子源,真空加速系统,导引、聚焦系统,实验终端。

    离子源能为整个重离子加速器提供源源不断的离子,就像给整个大炮装填炮弹一样。

    真空加速系统是一个装有加速结构的真空室,如加速管、加速腔等。它是“大炮”的“炮膛”,其作用是使离子的运动不受空气分子影响,并能向离子施加加速电场。

    导引、聚焦系统,包括电磁透镜、主导磁场等。它是“大炮”的另一个“炮膛”,以一定形态的电磁场,引导并约束被加速的离子束,按照预定轨道接受电场加速。有些重离子加速器还设有束流输运系统,可将它看作运输“炮弹”的“大卡车”,用以在离子源和加速器之间、加速器和加速器之间、加速器和靶之间运输离子。此外,导引、聚焦系统通常还设有电磁场的稳定设备、束流诊断和监测设备,以及各项供电和操作设备,以保证加速器稳定运行。

    实验终端,通常就是开展应用研究和技术开发的仪器,也是那些离子“炮弹”的最终“落点”。

    但在实际应用中,各组成部分往往同时具备一个或数个功能,既能独立开展研究,也能串联工作,实现“1+1>2”的效果。

    如依托中国科学院近代物理研究所建设的兰州重离子加速器,一般由电子回旋共振离子源、扇形聚焦回旋加速器、分离扇形回旋加速器、冷却储存环和两条放射性次级束分离线组成。

    有趣的是,扇形聚焦回旋加速器、分离扇形回旋加速器、冷却储存环和两条放射性次级束分离线既是“炮膛”,又自带“标靶”;既能将“炮弹”加速送走,又能让“炮弹”在自身装配的实验终端落点“爆炸”,从而开展研究。

    “科学龙头”多领域开花结果

    一般情况下,重离子加速器上均建有诸多实验终端,为生命科学、生物科学、材料和能源科学等应用研究提供有力实验条件。其成果可被广泛应用于航天、工业、农业、医疗等领域。

    单粒子效应评估。在升空之前,航天器的元器件都需要进行离子检测。重离子加速器建设的单粒子效应地面模拟实验平台,为航天器上的半导体器件抗辐射性能及其加固提供关键测试,为航天器安全运行提供重要的技术保证。

    制造核孔膜。核孔膜又称核微孔膜、重离子微孔膜等,是高分子薄膜经加速器重离子束流辐射后,再经化学蚀刻处理,制备出的一种优质微孔膜。它兼具孔径均匀、孔径大小可控、过滤速度较高、截流特性好、化学稳定性强等特点。在医疗领域的各种针剂生产及输液器制备中,核孔膜可用于去除各种微粒、细菌和过滤血液等。还可用于海水淡化,海水经核孔膜过滤后,就能达到饮用标准。同时,电动汽车的电池若用核孔膜做电池隔膜,可有效增强安全性和电池性能。

    辐照诱变育种。重离子加速器产生的辐射,能够大大加强种子突变率,且突变的范围非常大,可以产生更多高产、抗病虫害、耐高寒种子。如科学家们通过辐照诱变,培育出了“奇特植物”:不长叶子、只长果实的蓖麻;花瓣颜色会随温度变化而变化的花卉;少长叶子、多长棉桃,且棉桃更大的棉花,实现了高产的同时,还方便采摘;不结籽只长秆的高粱,其秆长可达5米多,榨汁的甜度是甘蔗汁的1.3倍,且产量很高。科学家们在栽种过程中发现,上述甜高粱根系异常发达,可以在沙漠里扎根一米多深,栽在沙漠不仅是经济作物,还能起到防风固沙的作用,且榨干汁水的高粱秆,发酵后能作为牲畜饲料,利用率极高。

    攻克肿瘤带来抗癌福音。这也是目前重离子加速器最重要的探索领域之一。从理论上说,重离子治疗肿瘤具有穿透力强、散射小、治疗精准等特点,无创伤、无痛苦,不需吃药打针,也不需要住院。通常来说,人们如果罹患肿瘤,要么开刀手术,要么进行放疗、化疗。普通的放疗是用光子或者X射线杀死癌细胞,但光子和X射线要以杀死更多的正常细胞为代价。所以在大多数人的印象中,经过放疗、化疗的癌症患者,基本都没了头发和眉毛,还可能伴有恶心、呕吐等症状。未来,重离子的穿透治疗效果则要好很多,它会在治疗的同时有效保护患者的健康组织。