科研成果

科研

30年来,重离子物理研究所针对科学前沿和国家重大需求开展研究工作,承担了科技部973、863、重大科学仪器设备开发专项,国家自然科学基金重大、重点、面上,国防基础科研等一大批重要的国家级科研项目,取得了多项具有原创性的重要成果,发表了多篇高水平的学术论文。研究所的科研经费逐年稳步增长,近几年已增加到每年上千万元。发表研究论文的数量和质量不断提升,在NIMA、NIMB、PRE、PRST、RSI、Nucl. Fusion、PoP和PPCF等核技术及应用领域重要杂志上发表论文上百篇,在Medical Physics和International Journal of Radiation Oncology, Biology and Physics等医学物理领域的国际顶级刊物上发表论文多篇,在物理、化学和材料科学顶级杂志上也发表了多篇论文,其中Nature Physics 1篇,PRL 9篇,APL 2篇, JACS 2篇,Advanced Functional Material 2篇,Energy & Environment Science 1篇。

代表性成果

1. 射频超导加速腔和DC-SRF光阴极注入器

射频超导加速腔是超导加速器的最为关键的部件,也是技术难点。射频超导课题组成立后,立即着手开展射频超导加速腔的研制,经过几年的努力,研制成功我国第一只1.5 GHz射频超导加速腔,加速梯度为15 MV/m,达到当时国际水平,获1996年国家科技进步二等奖。之后又研制了单晶单cell、2-cell和3.5-cell系列超导腔以及铜铌溅射QWR超导腔。与此同时,推动国内相关企业研制成功了高RRR值铌材和大晶粒铌材。

我国第一只纯铌射频超导加速腔

实用型9-cell超导加速腔

于2008年研制成功我国第一只9-cell 超导加速腔,其加速梯度达到23 MV/m, 接近当时的国际先进水平,稍后研制的一只实用型多晶纯铌超导腔的加速梯度为28.4 MV/m, 达到了ILC的可用标准,另外一只大晶粒铌材超导腔在加速梯度为22 MV/m时品质因数高达2×10^10。上述成果获2010年教育部科技进步二等奖。之后在国内首先开展了加速质子或重离子的Spoke和QWR超导腔的研制,为中国科学院开展洁净核能系统(ADS)所需的射频超导腔研制提供了有益的参考。2013年研制的第四只9cell超导腔的加速梯度达到32.4 MV/m, 品质因数好于1×10^10, 全面达到了ILC的要求。最近还帮助东方钽业公司建立了超导腔制造技术,推动了超导腔国产化和产业化过程。
2001年,在国际上首次原创性地提出了能够提供高平均流强电子束的直流-超导型激光驱动注入器(DC-SRF Photo-injector),并在1.5-cell腔样机上完成了原理性验证。该注入器在2003年国际射频超导会议和2004年国际自由电子激光会议的大会总结报告中都得到好评,并且被美国科学基金会2004年出版的射频超导进展作为有重要前景的主要类型予以收录。之后将其升级为3.5-cell腔DC-SRF注入器,并于2011年成功进行了2K出束实验,2013年最新实验引出束流能量达到3 MeV, 平均流强为0.25 mA。最近有关3.5-cell腔注入器的进展多次在国际射频超导会议(SRF)和国际能量回收加速器会议(ERL)上做邀请报告。

美国NSF出版的SRF文集收录了北京大学的DC-SC Photo-Injector(右下)

2. 强流重离子加速器

重离子物理研究所自建所初期(1984年)开始了对整体分离环ISR-RFQ加速结构的理论和实验研究。1994年实现了300 keV N+离子的首次出束,填补了我国RFQ加速器的空白,在基金委简报上进行了报道。在国家自然科学基金委重点项目“重离子整体分离环RFQ加速系统研究”的资助下,从1994年开展了建造1 MeV O+ 离子RFQ的研制工作,该RFQ加速器已于1999年出束,利用该RFQ加速器在国际上首次提出并成功地实现了正负氧离子的同时加速。在此基础上,重离子所在国际上首先提出了分离作用RFQ(SFRFQ)加速结构的设想,即将飘移管型射频加速间隙的高效加速特性嵌入到传统RFQ加速结构内,使离子的加速过程和聚焦过程相分离,这样就大大地提高了分离作用RFQ 的加速性能。建成的世界首台重离子SFRFQ加速器成功地将毫安级氧离子束加速到1.6 MeV,能散小于3%,加速效率是常规RFQ加速器的两倍左右。设计研制了基于2 MeV D+离子RFQ加速器的中子成像样机,快中子通量达到1012量级,在此过程中还研制了达到国际先进水平的强流永磁ECR离子源,发展了中子成像方法,这类装置在航空航天和反恐等领域有重要用途。在设计RFQ的过程中,提出了强流RFQ加速器的匹配均温粒子动力学设计方法并将其应用到了具体设计中。


左:1 MeV重离子RFQ加速器;右:分离作用RFQ新加速结构

2 MeV 氘离子RFQ加速器中子照相实验装置

3. 加速器质谱与“夏商周断代工程”

1993年研究所自行研制成功了当时国内唯一有能力进行14C样品高精度批量测量的加速器质谱计(也可测量10Be和26Al),其14C测量精度好于1%,在考古学方面开展了重要遗址样品年代的测定,地球科学方面开展了高分辨率时间标尺全球变化研究,在生命科学方面开展了烟草尼古丁和农药抗蚜威等基因毒性物质与DNA、蛋白质的加合作用及其代谢动力学研究。
1996年,作为国家“九五”科技攻关计划重大研究项目之一的“夏商周断代工程”正式启动,其目的是采用现代科技手段,建立有科学依据的夏、商、周三代的年表。该项目共有考古、历史、天文和14C测年技术等领域的200多名专家参与,重离子物理研究所承担了其中大部分14C系列样品年代测定任务。在对加速器质谱进行全面改进后,使14C测量精度可好于0.4%(相当于年代误差约30年),达到国际先进水平。在此的基础上,测量了河南王城岗、新砦,陕西沣西等11个遗址出土的系列样品200多个,并对殷墟甲骨系列样品进行了国际上首次测量,同时发展了贝叶斯方法进行系列样品年代校准,为夏商周年代框架的建立做出了重要贡献。

加速器质谱测量的夏商周断代工程珍贵甲骨样品

AMS样品测量数据为建立夏商周年表提供科学依据

4. 激光等离子体离子加速

在激光加速领域,重离子物理研究所在国际上首次提出“激光稳相加速方法”,即利用圆偏振激光和纳米薄膜靶相互作用可以同时实现对离子的加速和聚束,从而使所得到的粒子束流能散可与常规加速器相比拟,且激光的能量转化效率也可以提高一个量级。相关成果发表在Phys. Rev. Lett.上,这一理论在国际上迅速得到了实验验证。和德国科学家合作成功地进行了世界上首次圆偏振激光打金刚石碳纳米靶的加速实验,实验中观测到了30 MeV的准单能碳离子能峰。和美国LANL实验室合作,用激光轰击一系列厚度的类金刚石薄膜,在所预言的范围内实验观察到了准单能的质子峰,而在该范围之外没有观察到单能峰。这项工作受到了各方面的广泛关注和重视。激光加速创始人Tajima教授认为“这项工作解决了激光加速能散较大的关键问题”。目前正在国家科技部重大科学仪器设备开发专项支持下研制超小型激光离子加速器样机,有望用于等离子体诊断、空间物理研究和癌症治疗等领域。

光压稳相离子加速示意图

激光等离子体透镜

5. 离子束生物效应及纳米材料制备

通过对低能离子辐照育种原初物理过程和辐射损伤旁效应两个方面深入地研究,发现了低能离子辐照育种的机制。基于模式植物拟南芥种子的局域化离子辐照的实验结果表明,载能离子损伤可以通过信号传导过程,即旁效应,间接作用到茎端干细胞区域,进而诱发植物种子的变异。这一结果在国际上首次证实在植物系统中也存在载能离子,特别是低能离子辐照诱发的辐射损伤旁效应的间接作用,并以此解释了低能离子辐照诱变生物体的机理。经过连续在国际辐射生物学权威杂志(如Radiation Research)上发表系列文章,植物体系中存在着辐照损伤的旁效应引起了辐射生物学国际学术界的重视。
在国际上首次制备出由环境pH调制的、对离子电导实施开关的人工离子通道。这种基于DNA-纳米核孔复合体系的人工离子通道的性质与生物离子通道有非常相似之处,相关成果2008年在Journal of the American Chemical Society上以全文形式发表,并被 《Nature》杂志, NPG 《Asia Materials》网站评为研究亮点,亦被选入《2009年科学发展报告》中《2008年中国科学家具有代表性的部分工作》。在上述工作的基础上,又成功实现了钾离子诱导与热敏高分子诱导的智能响应人工离子通道体系,并制备出具有纳流电流源、脉冲发生器及电渗泵等纳流体系。其中钾离子诱导G-4 DNA的构型改变,对人工合成单纳米孔道进行开关的工作于2009年同样在Journal of the American Chemical Society上以全文形式发表,并被《Nature China》以研究亮点形式进行了详细的报道。这一系列创新性的研究工作,一方面为研究和模仿生物体中的离子通道的开关、输运等提供了一种新方法;另一方面,为设计和开发仿生智能响应性纳米器件提供了一种新的设计思路。作为纳米核孔研究的研究基础,2006年发表在《Applied Surface Science》上有关高分子膜离子辐照损伤的论文被该期刊评为2006-2010年间引用最多的论文(Most Cited Article),至今他引已超过140次。

基于DNA构象变化的人工离子通道

《Appl. Surf. Sci.》最高引用率证书

6. 中子探测与核数据测量

面对ITER聚变堆对中子诊断技术发展的最新需求,重离子物理研究所在EAST和HL-2A托卡马克装置上研究发展了先进的系列有机闪烁体聚变中子谱仪,首次进行了NBI辅助加热效果评估和等离子体锯齿震荡分析等基于先进中子发射谱仪的诊断研究。利用高能量分辨的芪晶体中子谱仪实现了EAST放电的芯部燃料离子温度的直接诊断,在国际上首次将中子谱仪直接诊断托卡马克芯部聚变离子温度的下限推到1 keV以下。正在EAST装置上设计建设的大型双环式球形阵列中子飞行时间谱仪,以高能量分辨和创新的双能选技术结合可将飞行时间谱高能端的本底水平降低一个量级以上,被国际上磁约束聚变中子测量权威、瑞典乌普萨拉大学的Jan. Kallne 教授称为“新一代的中子飞行时间谱仪”。以上工作在国际聚变物理领域的权威杂志Nucl. Fusion、PPCF以及RSI和NIMA等杂志上相继发表,对于ITER物理研究和先进聚变反应堆的研究、运行与评估具有重要意义。
基于4.5 MV静电加速器长期开展快中子核反应数据测量工作,对一系列轻核、中重核与重核的(n,α)反应进行了实验测量与理论分析,迄今已有20个核反应、46套核反应数据被国际原子能机构的EXFOR数据库收录。其中对149Sm(n,α)146Nd反应截面的精确测定填补了MeV能区该反应的实验数据空白,澄清了国际上不同评价数据库之间的巨大分歧。采用高效率大立体角粒子探测器(双屏栅电离室)与大面积双样品相结合,在MeV能区5个中子能点,对上述核反应截面进行了系统的测量与分析,获得了可以重复的实验结果,测出了小到50微靶的核反应截面。该工作一方面对于核物理与核天体物理基础研究具有重要意义,同时对核能开发与核技术应用等亦有重要应用价值。相关研究工作发表在近期的Phys. Rev. Lett.上。

安装在EAST上的北京大学托卡马克聚变中子发射谱仪

141Pr(n,)142Pr 反应激发函数实验测量结果与 ENDF/B-VI库评价数据的比较

7. 医学影像技术

医学物理和工程是重离子物理研究所主要研究方向之一,它是核物理、核技术、医学、信息学和工程学相结合的交叉学科。0.5 T永磁MRI系统实验平台2007年6月正式开始运行,现各项技术指标均达到行业标准,实现了临床可用原型样机,同时以医院现有装备为手段开发出新的脉冲序列和新的成像方法,提高了临床应用水平。已经研制出三套锥束CT成像系统,其中包括2006年为深圳惠恒集团的超伽III型伽马刀设备研制的“钴60三维锥束成像系统”。开展锥束CT的仿真三维精确重建算法和三维、四维医学影像的分割、配准和融合方法的研究,提出了多种国际领先的图像重建和处理方法,包括:半圆形轨迹的虚拟PI线重建算法;基于尺度不变的特征变换的弹性配准方法;基于Level Set和Snake模型的分割算法等。小动物多针孔SPECT/锥束CT成像系统是由北京大学医学物理和工程北京市重点实验室自主研发的双模态、高分辨率、高灵敏度活体小动物成像系统。该系统用于疾病的临床前研究、新药开发和分子生物学的在体研究。

发明DCE-MRI乳腺癌的血液动力学分析方法

锥束CT/针孔SPECT系统




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