原标题：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”
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。
惠州强流重离子加速器装置关键部位样机研制基本完成
近日，中科院近代物理研究所与惠州市政府签署建设先进能源科学与技术广东省实验室委托协议。该实验室依托强流重离子加速器装置(HIAF)、加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)等大科学装置，将对标能源领域国家实验室，力争打造具有全球影响力的战略科技力量。
惠州市科技局局长黄育勋介绍，HIAF和CiADS两大科学装置主要从事基础科学研究，而先进能源科学与技术省实验室更多是把两大科学装置的先进技术应用到生产中，聚焦先进核能、多能互补、化石能源高效利用，二者密切相关，但又各有分工。
中科院HIAF和CiADS两大科学装置项目正紧锣密鼓推进建设，多个关键部位的样机研制已基本完成。HIAF将成为世界上首个超导直线加速器、同步加速器和储存环组合的先进重离子研究装置，CiADS将成为世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置。目前，两大科学装置项目总部区的工地上多栋大型建筑已现雏形，正加快工程建设，计划2021年中建成。
中科院近代物理研究所副所长胡正国介绍，正在惠州部署开展产业化工作，包括谋划建设离子加速器高端制造产业链、医用短寿命同位素生产南方基地、核孔膜研发基地、重离子辐照技术产业等。
具体来说，惠州计划推动重离子在核微孔膜以及发光材料、纳米特殊功能材料、超硬材料等新型材料相关技术应用和产品制造，培育发展重离子治癌装备制造、辐照加速器制造、先进加速器设备配套等。同时，积极开展生命科学、生物医药、中子物理、辐照诱变育种等领域科技研发和产业化应用，并加大重离子在癌症治疗、肿瘤治疗等方面的应用推广。
惠州强流重离子加速器装置总体布局图
粒子物理、理论物理学家，中国科学院院士何祚庥表示，惠州两大科学装置对粤港澳大湾区乃至全国都有极其重要的战略和发展意义。以大科学装置为媒，惠州将打造连通全球顶尖应用资源的科创高地，将进一步弥补东莞散裂中子源在产业应用性方面的不足，形成珠江口东岸前沿物理研究与生产配套应用协同并进、先进能源技术和材料探测技术快速发展的新格局。
中山大学粤港澳发展研究院教授毛艳华表示，依托两大科学装置等项目，惠州将集聚众多一流科学家，推动相关科技产业发展，助力大湾区建设国际科技创新中心。
来源：中国军网-解放军报作者：方潇澎王泽民胡明生、质子中国
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