陕西省科学技术协会科普宣传专栏 大科学装置之重离子加速器
张梅
公元前5世纪前后，古希腊哲学家德谟克利特等人最先提出世界上千千万万种物质是由最微小、坚不可入且不可再分的微粒所构成，这种微粒即是原子。19世纪初，英国化学家、物理学家，近代化学之父道尔顿提出原子学说。原子学说创立以后，很长一段时间内，人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再也没有什么东西了。道尔顿的原子学说的提出开创了化学的新时代，解释了很多物理、化学现象。
探索永不止步。在探索微观世界的进程中，人们首先发现了电子，进而发现原子由原子核和绕核运动的电子组成。随着科学的不断进步，借助各种先进的科学仪器和重大装置，人们不断挖掘着微观世界的秘密，并利用它们为人类服务。重离子加速器就是这样一个探索微观世界的重大科学装置。
重离子加速器是指用来加速比α粒子重的离子加速器，有时也可用来加速质子。重离子加速器利用一定形态的电磁场将重离子加速，形成速度高达几千、几万乃至接近三十万千米每秒(真空中的光速)的高能量的重离子束，用以轰击原子核、原子、分子、固体晶格乃至生物细胞，从而达到不同的科学目标。
重离子加速器不仅是科学家变革原子核和“基本粒子”，认识物质深层结构的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术、国防建设等各个方面也都有重要而广泛的应用。
重离子加速器一个重要的应用是为治疗癌症等疾病打开了一扇新的窗户。常规放疗射线进入人体后，由于剂量主要损失在浅表部位，人体表层的正常组织会受到伤害。重离子射线则能把剂量集中在癌细胞。这种治疗方式对表层细胞损伤很小，没有副作用，病人没有疼痛感，治愈率也比较高。当然，医用的重离子加速器装置和科研的加速器装置是有区别的，除了考虑可靠性、安全性之外，还得考虑它的造价、成本，以及可推广性。
重离子加速器不仅可以治疗癌症，还可以诱变育种。重离子诱变育种就是利用重离子束，将种子的DNA损伤，引起种子的基因突变和表型变异，然后从中筛选出科学家希望得到的突变体，来培育新的品种。
我国粒子加速器的研制工作从20世纪80年代起有了巨大发展。目前，国内规模最大、加速粒子种类最多、能量最高的是兰州重离子加速器。兰州重离子加速器是中国科学院近代物理研究所负责设计和建造的我国第一台大型重离子加速器系统。1988年12月，兰州重离子加速器建成出束，从而向世界宣告：中国建成了继法国(1982年出束)、日本(1986年出束)之后第三台大型重离子回旋加速器，从此跨入世界加速器研制与应用的先进行列。这一成就，是中国也是世界加速器技术发展中的重要里程碑。
1991年，兰州重离子加速器国家实验室成立，并向国内外开放。它的胜利建成，为我国开辟了中能重离子物理基础研究和应用研究的新领域，标志着我国回旋加速器技术水平进入了国际先进水平，也是激励广大青少年学科学、爱科学的生动课堂。
2015年，中国首台自主研发的医用重离子加速器成功出束。这意味着肿瘤患者的重离子放射治疗将不再依赖国外技术设备。2016年，设备成功完成全部调试，实现各系统高性能匹配和稳定运行，关键束流指标达国际领先水平。
这台医用重离子加速器位于甘肃省武威市，2012年5月开始研制。设备可用于肿瘤患者的重离子放射治疗，尤其是疑难、不宜手术、使用其他治疗手段易复发的肿瘤类型。中科院近物所相关研究人员表示，这台重离子加速器是该所近60年科研经验积累传承的成果。今年4月，历时两年半，通过1300多项检测，医用重离子加速器完成全部自主知识产权离子治癌装置检测，已开始临床试验治疗。装置检测首次为我国同类医疗器械检测确立了标准，实现了世界最大医疗器械的国产化。
今年初，中科院与陕西省签署协议，决定共同建设中科院西安科学园。根据规划，科学园将建设科研机构聚集区、科学装置聚集区、创新平台聚集区、丝路科技合作区、科教融合聚集区等。其中，科学装置聚集区将以大科学装置建设为目标，培育建设一批高效率开放共享、高水平国际合作、高质量创新服务的重大科技创新平台。这些大科学装置包括：高精度地基授时系统、加速器质谱中心集群、西安阿秒光源、医用重离子加速器装置、西部质子（医疗）中心等。
目前，医用重离子加速器产业化正在加速发展，国内产业链联盟已经成立，200多家相关企业加入联盟。相信随着医用重离子加速器装置落地西安，医用重离子加速器产业化将不断推进，更多患者将享受到科技发展的福祉。
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大科学装置:大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。大科学装置是现代科学技术诸多领域取得突破的必要条件，在科学技术领域的国际竞争主要表现在对诸多前沿研究领域的突破能力。20世纪中叶以来，科学技术发展中出现了一个新的态势，即许多科学领域已经发展到这样一种地步，它们的进一步发展和研究前沿的突破，都离不开大科学装置。根据对100多年来诺贝尔物理学奖的成果统计，1950年以前，只有一项来自大科学装置；1970年以后，就有40%是来自于大科学装置，例如大的天文望远镜，或者科学卫星、加速器；到1990年以后，这个比例高达48%。因此，世界各国都不惜以巨大的投入建立大科学装置。
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