中能重离子微束辐照装置

文/宋明涛 曹凝

1 中国科学院近代物理研究所 兰州 730000

2 中国科学院计划财务局 北京 100864

1 科学背景

重离子微束装置是将重离子束的束斑缩小到微米尺度，并能对重离子进行准确定位/定点（位置精确到微米量级）和精确计数（准确计数到单个离子）。利用重离子定位定量照射靶材料（细胞或其他非生物材料），可以揭示重离子辐照效应产生的本质，是探索离子——物质相互作用效应机理及其应用途径的有效手段。微束装置广泛应用于辐照生物学、辐照医学物理、辐照材料学、地质学、环境分析、考古学等研究领域，如精确估计低剂量辐射效应，了解细胞的辐射损伤与致死效果，了解细胞间信息传递，为评估太空辐射安全性而对宇航半导体器件进行单粒子效应研究，离子束定点、定位诱变育种，离子束介导转基因，微结构制造等。

目前，国际上约有50多个实验室拥有微束装置，集中于美国、英国、德国和日本等发达国家，覆盖了中低能区，之前我国也只有3台低能微束装置。这些微束装置大多只能提供低能轻粒子束流，限制了微束装置的用途和适用范围，如低能离子微束不能用于带包壳的宇航半导体器件的空间单粒子效应地面模拟研究；不能用于通过地面实验回答高电荷态、高能量单粒子辐照后存活下来的神经元以后是否会发生变异这一航天生物学上亟待回答的问题；不能有效地用于大长径比的纳米特殊功能材料的研究和微结构制造等。

表征微束装置性能的主要参数有：束流斑点尺寸、单粒子轰击位置的控制精度和束流强度。微束根据其实现方法分为准直器限束（瞄准束）和电磁聚焦（聚焦束）两类，其中，瞄准束的特点是结构和操作都很简单，但由于离子晕现象，束斑很难达到1微米或更小的水平，而聚焦束的束斑可达到1微米以下，束流能够快速扫描，但对聚焦透镜的要求较高。束流强度取决于供束加速器和束斑成形手段。单粒子辐照是对流强弱的微束加以调制，使得一次只能有几个甚至一个离子轰击样品；聚焦微束辐照则是对流强较大的束流进行强聚焦，从而使得样品的微区在极短时间内接受高强度的重离子轰击。

目前，用于生物辐射的微束装置大多以静电加速器制备低能束流、运用准直器形成单粒子微束。由于准直器边沿散射离子的影响，束斑很难达到亚微米水平，不能开展活细胞内细胞器的单粒子效应研究。以辐照材料为主要用途的微束能量较高、束斑小，大多采用聚焦束，但其能量非常有限，不能满足中高能辐照研究的需要。

综上可以看出，中高能重离子微束在科研和实际应用方面均具有非常广阔的用途，研制高性能的中高能重离子微束装置正日益成为世界各国科学家关注的焦点。对推动我国在相关科研领域的研究和应用走向世界前列至关重要，2007年，在国家重大科研装备研制专项的支持下，中科院近代物理所开展了具有自主知识产权的“中能重离子微束辐照装置”研制工作。

2 装置综述

近代物理所创建于1957年，多年来一直以重离子核物理基础研究和相关领域的交叉研究为主要学科方向，相应发展加速器物理与技术及核技术。该项目基于近物所研制的大型实验装置——兰州重离子加速器系统（HIRFL），以HIRFL提供的中能重离子束流为基础，采用水平偏转磁铁和垂直偏转磁铁辅以四极透镜，将束流导向地下室，同时进行束流的能量分析，再用高梯度三组合四极透镜强聚焦形成微米尺度的束斑，重离子铅垂辐照样品。通过束流强度测量精确统计粒子数，在达到预定计数时用束流开关快速切断束流，实现定量辐照；通过束流位置校正元件控制束流位置，配合进行样品的移动，实现定位辐照。

该项目的关键技术是获得真空中1微米、大气中2微米的束斑，高性能的束流强聚焦系统是其关键。其中，三组合四极透镜的磁场梯度要求较高（123T/m），其加工、装配精度的要求也很高。因此装置研制阶段的关键难题即为高梯度三组合四极透镜的设计、加工以及测试。该设计由近物所磁铁研究室负责完成，加工由具有丰富生产经验的相关企业负责完成，测试由近物所采用专用小孔径三坐标测磁装置完成。测试结果表明：磁铁系统极头精度在慢走丝加工段的精度小于10μm，表面光洁度好于1.6μm；3台透镜装配采用了无间隙导柱导套配磨定位轴的结构，3组导套内孔位置尺寸公差为2μm；线圈采用了活动装配，各电连接排按照要求表面镀银，绝缘方式采用了聚酰亚胺半固化环氧粘带整体固化的方式，线圈匝间无短路，对地绝缘不小于500V。以上结果说明设计加工的磁铁系统完全可以满足装置的性能要求。

图 中能重离子微束辐照装置

实现各关键元件的准直安装是整个项目的一大难点。中能重离子微束辐照装置的物狭缝在水平段，2台45度二极磁铁辅以四极透镜将束流垂直导向辐照靶室，最终通过1μm的真空窗将束流由真空引到大气中垂直辐照生物活细胞。项目要求将各个狭缝、真空窗以及三组合四极透镜的磁中心安装在一个平面，且位置精度小于0.1mm，因此准直安装的难度大大增加。项目在实际工作中，采用了API公司生产的第三代激光跟踪仪，该设备为高精度三维坐标测量仪，10m以内的系统精度为±15μm。经过多次反复测量以及最终的支撑固定，装置关键元件，如狭缝系统、高精度三组合四极透镜以及真空窗的位置精度均好于0.1mm。

装置安装完成后，对装置的调试测试手段则是整个项目的另一难点。为此，科研人员采用了多种测试手段相结合，最终经过反复测试，确定了最直观有效的测试手段：采用生物倒置荧光显微镜结合Ce：YAG闪烁体，利用自主开发的束斑观察程序观察并测量束斑尺寸，实时给出束斑的FWHM尺寸、束斑的长时间稳定度以及离子的相对强度等；此外，BC400闪烁体结合光电倍增管构成的单粒子探测器有效的测量离子的轰击频率，其探测精度接近100%；辐照并蚀刻CR-39验证束斑尺寸及定位精度。

HIRFL是国内唯一、国际上少有的大型全离子加速器系统，在HIRFL上建造的中能重离子微束辐照装置具有粒子种类多、束流能量高、能量范围宽的优势，该中能重离子微束辐照装置的建成使我国微束装置的粒子种类拓展到最重的铀离子，使世界上的微束能量提高到中能（100MeV/u）。该装置采取电磁聚焦方式形成微米束斑，与瞄准束装置相比，具有光斑小、定位准确、样品吞吐量大的优势；与世界上大多数聚焦束装置相比，其特点是铅垂方向辐照样品，有机结合粒子能量选择，在整体设计思路上有所创新。该装置的另一创新点是，在国际上首次使用多种类、宽能区（直到中能）的重离子微束，开展单细胞辐照的对照研究、活细胞内的细胞器单粒子效应研究、航天级电子器件的单粒子效应的机理研究和评价。这些研究的开展，将为科学研究提供全新的视角。

中能重离子微束辐照装置是目前世界上能量最高的重离子微束装置，该装置研制完成后，已成功开展了生物活细胞的测试实验，为进一步开展装置的定点、定量辐照奠定了基础。2011年12月6日，该项目通过验收，专家组认为项目的实施不仅有助于深入揭示离子-物质相互作用的本质，同时也有助于探索重离子辐照效应的应用，特别是在生物体的分子细胞水平载能粒子辐射效应、空间单粒子效应、特殊功能材料制备等应用方面提供一种十分有效的独特手段，一致同意通过验收。

3 组织与管理

依据《国家重大科研装备研制项目管理办法（试行）》要求，近物所应用设计、建造大科学工程装置的成功经验，建立了项目管理工作组和项目组，实行主管部门领导下的单位法定代表人负责制。

项目管理工作组由研究所法定代表人领导，成员包括研究所相关负责人、科技处与资产财务处负责人、重离子物理及应用方面的专家。项目管理工作组负责领导单位内相关职能部门，协调单位内各相关部门的人员、设备、房屋、水电等资源条件，整合单位内部资源，为研制项目的实施提供支撑保障；掌握项目进展情况，及时帮助项目负责人解决项目执行过程中出现的问题；检查和督促项目负责人履行职责，协助项目负责人对实施过程重要的技术细节进行方案论证，对研制过程中遇到的技术问题提出解决措施。

项目负责人是项目的组织者、工作进度和项目质量的直接责任人，全面负责项目的相关事宜，包括总体设计、技术路线、经费管理、项目进度、任务分解和子系统之间的组织协调。

项目子系统负责人对各自系统的技术方案、可行性、质量和进度直接负责，根据总体要求负责完成本系统的物理设计、技术设计、工艺设计和安装调试方案。

项目在研制过程中，采取项目管理工作组和项目组主要成员参加的例会制度，检查各子系统的进展情况，协调各子系统的工作，讨论和解决研制过程中出现的问题。在例会上确定的技术方案，主要相关人员必须会签后实施。已经明确的研制任务以“任务通知单”的形式下达给具体负责人。遇到重大或紧急问题，项目组需及时向项目管理工作组汇报，适时召开会议研究解决办法。

4 应用及展望

该装置投入使用后，将成为国内唯一能够提供中能重离子微束的公共实验平台，为我国生命科学、材料科学、地球科学和考古学等提供实验条件。

由于中高能重离子微束装置具有精确定量、准确定位、离子射程长、在材料中大的LET值等特点，对材料学研究有深远影响，可以率先用中能重离子微束开展半导体器件单粒子效应研究，特别是大规模集成电路单粒子效应过程的综合物理机制研究。利用重离子微束研究大规模集成线路的单粒子效应，能够在微米尺寸范围对引起翻转的存储器的敏感区域进行成像，从而直接探测敏感区域的面积，给出翻转截面。利用重离子微束装置，将测量大规模集成电路中单粒子效应敏感区域分布的微观信息，验证和评估集成电路抗辐射加固设计的可靠性，研究大规模集成电路引起单粒子效应过程的综合物理机制，为器件在航天事业中的应用提供单粒子效应地面测量数据。

另外，利用该装置，还可开展材料微结构制造方面的应用基础研究；开展活细胞内细胞器的单粒子辐照实验，进行生物学效应及机理研究；通过单粒子微束辐照单个细胞的不同部位，研究生物学效应及机理，增加人们对致癌、致突基本机制的理解等，为宇航员的空间离子辐射危险度的评估及其辐射安全防护措施的制定提供理论指导；通过单粒子微束辐照植物组织和个体，探索定点定位诱变植物、创制作物新种质资源的新技术，发展诱变育种的新技术。