中能重離子微束輻照裝置

文/宋明濤 曹凝

1 中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000

2 中國科學(xué)院計(jì)劃財(cái)務(wù)局 北京 100864

1 科學(xué)背景

重離子微束裝置是將重離子束的束斑縮小到微米尺度，并能對(duì)重離子進(jìn)行準(zhǔn)確定位/定點(diǎn)（位置精確到微米量級(jí)）和精確計(jì)數(shù)（準(zhǔn)確計(jì)數(shù)到單個(gè)離子）。利用重離子定位定量照射靶材料（細(xì)胞或其他非生物材料），可以揭示重離子輻照效應(yīng)產(chǎn)生的本質(zhì)，是探索離子——物質(zhì)相互作用效應(yīng)機(jī)理及其應(yīng)用途徑的有效手段。微束裝置廣泛應(yīng)用于輻照生物學(xué)、輻照醫(yī)學(xué)物理、輻照材料學(xué)、地質(zhì)學(xué)、環(huán)境分析、考古學(xué)等研究領(lǐng)域，如精確估計(jì)低劑量輻射效應(yīng)，了解細(xì)胞的輻射損傷與致死效果，了解細(xì)胞間信息傳遞，為評(píng)估太空輻射安全性而對(duì)宇航半導(dǎo)體器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)研究，離子束定點(diǎn)、定位誘變育種，離子束介導(dǎo)轉(zhuǎn)基因，微結(jié)構(gòu)制造等。

目前，國際上約有50多個(gè)實(shí)驗(yàn)室擁有微束裝置，集中于美國、英國、德國和日本等發(fā)達(dá)國家，覆蓋了中低能區(qū)，之前我國也只有3臺(tái)低能微束裝置。這些微束裝置大多只能提供低能輕粒子束流，限制了微束裝置的用途和適用范圍，如低能離子微束不能用于帶包殼的宇航半導(dǎo)體器件的空間單粒子效應(yīng)地面模擬研究；不能用于通過地面實(shí)驗(yàn)回答高電荷態(tài)、高能量單粒子輻照后存活下來的神經(jīng)元以后是否會(huì)發(fā)生變異這一航天生物學(xué)上亟待回答的問題；不能有效地用于大長徑比的納米特殊功能材料的研究和微結(jié)構(gòu)制造等。

表征微束裝置性能的主要參數(shù)有：束流斑點(diǎn)尺寸、單粒子轟擊位置的控制精度和束流強(qiáng)度。微束根據(jù)其實(shí)現(xiàn)方法分為準(zhǔn)直器限束（瞄準(zhǔn)束）和電磁聚焦（聚焦束）兩類，其中，瞄準(zhǔn)束的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和操作都很簡單，但由于離子暈現(xiàn)象，束斑很難達(dá)到1微米或更小的水平，而聚焦束的束斑可達(dá)到1微米以下，束流能夠快速掃描，但對(duì)聚焦透鏡的要求較高。束流強(qiáng)度取決于供束加速器和束斑成形手段。單粒子輻照是對(duì)流強(qiáng)弱的微束加以調(diào)制，使得一次只能有幾個(gè)甚至一個(gè)離子轟擊樣品；聚焦微束輻照則是對(duì)流強(qiáng)較大的束流進(jìn)行強(qiáng)聚焦，從而使得樣品的微區(qū)在極短時(shí)間內(nèi)接受高強(qiáng)度的重離子轟擊。

目前，用于生物輻射的微束裝置大多以靜電加速器制備低能束流、運(yùn)用準(zhǔn)直器形成單粒子微束。由于準(zhǔn)直器邊沿散射離子的影響，束斑很難達(dá)到亞微米水平，不能開展活細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的單粒子效應(yīng)研究。以輻照材料為主要用途的微束能量較高、束斑小，大多采用聚焦束，但其能量非常有限，不能滿足中高能輻照研究的需要。

綜上可以看出，中高能重離子微束在科研和實(shí)際應(yīng)用方面均具有非常廣闊的用途，研制高性能的中高能重離子微束裝置正日益成為世界各國科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)推動(dòng)我國在相關(guān)科研領(lǐng)域的研究和應(yīng)用走向世界前列至關(guān)重要，2007年，在國家重大科研裝備研制專項(xiàng)的支持下，中科院近代物理所開展了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“中能重離子微束輻照裝置”研制工作。

2 裝置綜述

近代物理所創(chuàng)建于1957年，多年來一直以重離子核物理基礎(chǔ)研究和相關(guān)領(lǐng)域的交叉研究為主要學(xué)科方向，相應(yīng)發(fā)展加速器物理與技術(shù)及核技術(shù)。該項(xiàng)目基于近物所研制的大型實(shí)驗(yàn)裝置——蘭州重離子加速器系統(tǒng)（HIRFL），以HIRFL提供的中能重離子束流為基礎(chǔ)，采用水平偏轉(zhuǎn)磁鐵和垂直偏轉(zhuǎn)磁鐵輔以四極透鏡，將束流導(dǎo)向地下室，同時(shí)進(jìn)行束流的能量分析，再用高梯度三組合四極透鏡強(qiáng)聚焦形成微米尺度的束斑，重離子鉛垂輻照樣品。通過束流強(qiáng)度測量精確統(tǒng)計(jì)粒子數(shù)，在達(dá)到預(yù)定計(jì)數(shù)時(shí)用束流開關(guān)快速切斷束流，實(shí)現(xiàn)定量輻照；通過束流位置校正元件控制束流位置，配合進(jìn)行樣品的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位輻照。

該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)是獲得真空中1微米、大氣中2微米的束斑，高性能的束流強(qiáng)聚焦系統(tǒng)是其關(guān)鍵。其中，三組合四極透鏡的磁場梯度要求較高（123T/m），其加工、裝配精度的要求也很高。因此裝置研制階段的關(guān)鍵難題即為高梯度三組合四極透鏡的設(shè)計(jì)、加工以及測試。該設(shè)計(jì)由近物所磁鐵研究室負(fù)責(zé)完成，加工由具有豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)企業(yè)負(fù)責(zé)完成，測試由近物所采用專用小孔徑三坐標(biāo)測磁裝置完成。測試結(jié)果表明：磁鐵系統(tǒng)極頭精度在慢走絲加工段的精度小于10μm，表面光潔度好于1.6μm；3臺(tái)透鏡裝配采用了無間隙導(dǎo)柱導(dǎo)套配磨定位軸的結(jié)構(gòu)，3組導(dǎo)套內(nèi)孔位置尺寸公差為2μm；線圈采用了活動(dòng)裝配，各電連接排按照要求表面鍍銀，絕緣方式采用了聚酰亞胺半固化環(huán)氧粘帶整體固化的方式，線圈匝間無短路，對(duì)地絕緣不小于500V。以上結(jié)果說明設(shè)計(jì)加工的磁鐵系統(tǒng)完全可以滿足裝置的性能要求。

圖 中能重離子微束輻照裝置

實(shí)現(xiàn)各關(guān)鍵元件的準(zhǔn)直安裝是整個(gè)項(xiàng)目的一大難點(diǎn)。中能重離子微束輻照裝置的物狹縫在水平段，2臺(tái)45度二極磁鐵輔以四極透鏡將束流垂直導(dǎo)向輻照靶室，最終通過1μm的真空窗將束流由真空引到大氣中垂直輻照生物活細(xì)胞。項(xiàng)目要求將各個(gè)狹縫、真空窗以及三組合四極透鏡的磁中心安裝在一個(gè)平面，且位置精度小于0.1mm，因此準(zhǔn)直安裝的難度大大增加。項(xiàng)目在實(shí)際工作中，采用了API公司生產(chǎn)的第三代激光跟蹤儀，該設(shè)備為高精度三維坐標(biāo)測量儀，10m以內(nèi)的系統(tǒng)精度為±15μm。經(jīng)過多次反復(fù)測量以及最終的支撐固定，裝置關(guān)鍵元件，如狹縫系統(tǒng)、高精度三組合四極透鏡以及真空窗的位置精度均好于0.1mm。

裝置安裝完成后，對(duì)裝置的調(diào)試測試手段則是整個(gè)項(xiàng)目的另一難點(diǎn)。為此，科研人員采用了多種測試手段相結(jié)合，最終經(jīng)過反復(fù)測試，確定了最直觀有效的測試手段：采用生物倒置熒光顯微鏡結(jié)合Ce：YAG閃爍體，利用自主開發(fā)的束斑觀察程序觀察并測量束斑尺寸，實(shí)時(shí)給出束斑的FWHM尺寸、束斑的長時(shí)間穩(wěn)定度以及離子的相對(duì)強(qiáng)度等；此外，BC400閃爍體結(jié)合光電倍增管構(gòu)成的單粒子探測器有效的測量離子的轟擊頻率，其探測精度接近100%；輻照并蝕刻CR-39驗(yàn)證束斑尺寸及定位精度。

HIRFL是國內(nèi)唯一、國際上少有的大型全離子加速器系統(tǒng)，在HIRFL上建造的中能重離子微束輻照裝置具有粒子種類多、束流能量高、能量范圍寬的優(yōu)勢，該中能重離子微束輻照裝置的建成使我國微束裝置的粒子種類拓展到最重的鈾離子，使世界上的微束能量提高到中能（100MeV/u）。該裝置采取電磁聚焦方式形成微米束斑，與瞄準(zhǔn)束裝置相比，具有光斑小、定位準(zhǔn)確、樣品吞吐量大的優(yōu)勢；與世界上大多數(shù)聚焦束裝置相比，其特點(diǎn)是鉛垂方向輻照樣品，有機(jī)結(jié)合粒子能量選擇，在整體設(shè)計(jì)思路上有所創(chuàng)新。該裝置的另一創(chuàng)新點(diǎn)是，在國際上首次使用多種類、寬能區(qū)（直到中能）的重離子微束，開展單細(xì)胞輻照的對(duì)照研究、活細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器單粒子效應(yīng)研究、航天級(jí)電子器件的單粒子效應(yīng)的機(jī)理研究和評(píng)價(jià)。這些研究的開展，將為科學(xué)研究提供全新的視角。

中能重離子微束輻照裝置是目前世界上能量最高的重離子微束裝置，該裝置研制完成后，已成功開展了生物活細(xì)胞的測試實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步開展裝置的定點(diǎn)、定量輻照奠定了基礎(chǔ)。2011年12月6日，該項(xiàng)目通過驗(yàn)收，專家組認(rèn)為項(xiàng)目的實(shí)施不僅有助于深入揭示離子-物質(zhì)相互作用的本質(zhì)，同時(shí)也有助于探索重離子輻照效應(yīng)的應(yīng)用，特別是在生物體的分子細(xì)胞水平載能粒子輻射效應(yīng)、空間單粒子效應(yīng)、特殊功能材料制備等應(yīng)用方面提供一種十分有效的獨(dú)特手段，一致同意通過驗(yàn)收。

3 組織與管理

依據(jù)《國家重大科研裝備研制項(xiàng)目管理辦法（試行）》要求，近物所應(yīng)用設(shè)計(jì)、建造大科學(xué)工程裝置的成功經(jīng)驗(yàn)，建立了項(xiàng)目管理工作組和項(xiàng)目組，實(shí)行主管部門領(lǐng)導(dǎo)下的單位法定代表人負(fù)責(zé)制。

項(xiàng)目管理工作組由研究所法定代表人領(lǐng)導(dǎo)，成員包括研究所相關(guān)負(fù)責(zé)人、科技處與資產(chǎn)財(cái)務(wù)處負(fù)責(zé)人、重離子物理及應(yīng)用方面的專家。項(xiàng)目管理工作組負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)單位內(nèi)相關(guān)職能部門，協(xié)調(diào)單位內(nèi)各相關(guān)部門的人員、設(shè)備、房屋、水電等資源條件，整合單位內(nèi)部資源，為研制項(xiàng)目的實(shí)施提供支撐保障；掌握項(xiàng)目進(jìn)展情況，及時(shí)幫助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人解決項(xiàng)目執(zhí)行過程中出現(xiàn)的問題；檢查和督促項(xiàng)目負(fù)責(zé)人履行職責(zé)，協(xié)助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對(duì)實(shí)施過程重要的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行方案論證，對(duì)研制過程中遇到的技術(shù)問題提出解決措施。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是項(xiàng)目的組織者、工作進(jìn)度和項(xiàng)目質(zhì)量的直接責(zé)任人，全面負(fù)責(zé)項(xiàng)目的相關(guān)事宜，包括總體設(shè)計(jì)、技術(shù)路線、經(jīng)費(fèi)管理、項(xiàng)目進(jìn)度、任務(wù)分解和子系統(tǒng)之間的組織協(xié)調(diào)。

項(xiàng)目子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人對(duì)各自系統(tǒng)的技術(shù)方案、可行性、質(zhì)量和進(jìn)度直接負(fù)責(zé)，根據(jù)總體要求負(fù)責(zé)完成本系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試方案。

項(xiàng)目在研制過程中，采取項(xiàng)目管理工作組和項(xiàng)目組主要成員參加的例會(huì)制度，檢查各子系統(tǒng)的進(jìn)展情況，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作，討論和解決研制過程中出現(xiàn)的問題。在例會(huì)上確定的技術(shù)方案，主要相關(guān)人員必須會(huì)簽后實(shí)施。已經(jīng)明確的研制任務(wù)以“任務(wù)通知單”的形式下達(dá)給具體負(fù)責(zé)人。遇到重大或緊急問題，項(xiàng)目組需及時(shí)向項(xiàng)目管理工作組匯報(bào)，適時(shí)召開會(huì)議研究解決辦法。

4 應(yīng)用及展望

該裝置投入使用后，將成為國內(nèi)唯一能夠提供中能重離子微束的公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為我國生命科學(xué)、材料科學(xué)、地球科學(xué)和考古學(xué)等提供實(shí)驗(yàn)條件。

由于中高能重離子微束裝置具有精確定量、準(zhǔn)確定位、離子射程長、在材料中大的LET值等特點(diǎn)，對(duì)材料學(xué)研究有深遠(yuǎn)影響，可以率先用中能重離子微束開展半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)研究，特別是大規(guī)模集成電路單粒子效應(yīng)過程的綜合物理機(jī)制研究。利用重離子微束研究大規(guī)模集成線路的單粒子效應(yīng)，能夠在微米尺寸范圍對(duì)引起翻轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)器的敏感區(qū)域進(jìn)行成像，從而直接探測敏感區(qū)域的面積，給出翻轉(zhuǎn)截面。利用重離子微束裝置，將測量大規(guī)模集成電路中單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域分布的微觀信息，驗(yàn)證和評(píng)估集成電路抗輻射加固設(shè)計(jì)的可靠性，研究大規(guī)模集成電路引起單粒子效應(yīng)過程的綜合物理機(jī)制，為器件在航天事業(yè)中的應(yīng)用提供單粒子效應(yīng)地面測量數(shù)據(jù)。

另外，利用該裝置，還可開展材料微結(jié)構(gòu)制造方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究；開展活細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的單粒子輻照實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行生物學(xué)效應(yīng)及機(jī)理研究；通過單粒子微束輻照單個(gè)細(xì)胞的不同部位，研究生物學(xué)效應(yīng)及機(jī)理，增加人們對(duì)致癌、致突基本機(jī)制的理解等，為宇航員的空間離子輻射危險(xiǎn)度的評(píng)估及其輻射安全防護(hù)措施的制定提供理論指導(dǎo)；通過單粒子微束輻照植物組織和個(gè)體，探索定點(diǎn)定位誘變植物、創(chuàng)制作物新種質(zhì)資源的新技術(shù)，發(fā)展誘變育種的新技術(shù)。