推动产业升级市场空间巨大|对话加速器质谱研发团队负责人姜山研究员

何为加速器质谱？

顾名思义，是加速器和质谱两大技术的结合，英文名称：Accelerator mass spectrometry(AMS)。传统质谱仪器是将样品电离之后，通过电磁场选出特定荷质比，从而分析原子或分子质量的技术，但在分析想要的核素时（以¹⁴C为例），会有质量数相同的分子本底（¹²CH₂、¹³CH）和同量异位素（¹⁴N）的干扰，加速器质谱技术可以在离子源处引出负离子（抑制部分核素的同量异位素的产生），在串列加速器中间部分利用剥离膜将负离子剥离成正离子（瓦解分子离子），并利用核探测器鉴别同量异位素。这使得AMS在测量长寿命放射性核时十分有效。

关于AMS，最早的历史可以追溯到1939年，那时Alvarez和Cornog利用一台回旋加速器进行³He的测量，随后没有了任何消息。直到1977年，Muller提出用串列粒子加速器可以对14C和10Be进行简单高效地测量。到了90年代，随着世界海洋洋流循环实验的开展，对14C的测量精度也越来越高，而第一代的仪器精度难以达到要求。1991年，伍兹霍尔海洋实验室安装了第一台3MV加速器质谱，经过3年的操作，精度达到了5‰，这样喜人的成绩又引发了新一轮的模仿浪潮。时间很快到了20世纪末，AMS端电压不能低于3MV、电荷态的选择不能低于+3价的魔咒也随之打破了。1998年，第一台利用+1件测量¹⁴C的仪器诞生，研究者发现它的性能不比大仪器选择+3或+4价时的测量效果差，这也正式拉开了AMS小型化的序幕。

经过40多年的发展，AMS在探索未知领域的道路上已经能独当一面。同时，中国第一家生产AMS的公司也已起步。更值得一提的是，2023年11月，中国原子能科学研究院核物理研究所成功研制出国内首台紧凑型加速器质谱仪（AMS），整套系统占地面积约30平方米，较传统装置缩小2/3，标志着我国在高端核分析设备研制方面取得重要进展，为加速器质谱仪的高灵敏分析应用奠定了坚实基础。

图片来源：中核集团

该团队围绕核心难点——加速器紧凑化进行了创新研究，突破了系列关键技术。他们研发的紧凑型加速器质谱仪长度仅1米，大小为传统装置的1/3，具有结构更紧凑、性能更佳、可开展多核素测量等优势。同时，团队对系统进行了物理与束流光学方面的优化设计，有力提升了经济性。目前，该装置的传输效率和测量灵敏度均通过实验验证。

针对此突破性的成果进展，仪器信息网特别采访了中国原子能科学研究院加速器质谱仪研发团队的姜山研究员，与他就AMS自主研发的重要意义、能解决的重大问题以及突破该成果需要哪些关键技术等进行了深入的交流。

仪器信息网：加速器质谱（AMS）自主研发的重要意义？能够解决哪些国家重要问题？

姜山：AMS是基于加速器技术和离子探测器技术的一种高能同位素质谱仪。由于AMS具有排除分子本底和同量异位素本底的能力，因此极大地提高了测量丰度灵敏度，能够达到10^-15（传统同位素质谱仪的丰度灵敏度仅为10^-8）。AMS主要用于测量宇宙射线成因核素如：¹⁰Be、¹⁴C、³⁶Cl、⁴¹Ca、¹²⁹I和²³⁶U等，这些测量主要应用于定年和示踪两个大的方向，广泛应用于地质与考古、环境与资源、生物与医药、核能与核安全等领域。

对于AMS的自主研发具有三个方面意义：第一、冲破国外的技术封锁，实现产销自如；第二、对于解决国家重大科技问题意义重大，不被外国人“卡脖子”；第三、提升我国的科技水平，使得我们的国际地位不断提升。而自主研发要经历三个阶段，即跟跑、并跑和领跑，我国的AMS研发始于上世纪80年代中期，经过了近40年的努力，目前我们取得了并跑和部分技术的领先阶段。我们目前正在开展的基于超强电离离子源的AMS，有望实现在AMS领域的领跑，同时也能够带动相关领域实现技术超越。

AMS和我们正在发展的超强电离质谱仪，能够解决国家很多的科技问题，其中有11 个较为重大的问题列于表格中。下表是：能够解决的十一个重要科学与技术难题，有望在这些下游领域取得国际领先的成果，推动质谱仪产业发展和升级，市场空间巨大。

仪器信息网：此次团队成功研制的全国首台的紧凑型加速器质谱仪突破了哪些关键技术？能解决哪些以前没有解决的难题，最适合的应用场景有哪些？

姜山：突破了两项关键技术：一是离子源技术；二是探测器技术。离子源是所有质谱仪的关键部件，目前AMS所采用的离子源是溅射负离子源。2020年之前，我们研发的AMS系统，采用的都是国外的负离子源。十年前，团队就已经认识到：离子源是AMS的核心部件，必须研发出我国自己的具有知识产权的离子源，这样才能够在以后的AMS仪器研发和制造中不被“卡脖子”。2015年，团队与国内一家离子源公司合作共同研发溅射负离子源，经过6年的努力，2021年终于研发出来我国自己的负离子源。

探测器技术和加速器技术是AMS区别于传统质谱仪的两项技术，其中重离子探测器技术是最为关键。其技术核心是如何实现对低能量重粒子的能谱测量，例如：如何实现800keV的U或Pu同位素离子的能谱测量？同时具有粒子鉴别能力，例如鉴别⁴¹Ca和⁴¹K，它们具有相同的质核比，传统质谱仪无法识别它们。经过十几年的努力，团队先后研发出了传统ΔE-E 探测器和充气飞行时间粒子鉴别探测器。最终实现了国际上最先进的，低能量簿窗气体电离室探测器，该气体探测器的入射窗采用Si₃N₄薄膜，膜的厚度仅仅30nm, 这样低能量的重离子才能够穿过窗进入探测器，从而得到重离子的能谱。用这样的探测器，最终实现了500-1000keV能力范围重粒子的测量，为AMS实现¹⁰Be、¹⁴C、¹²⁹I、²³⁶U以及超铀核素的测量奠定了重要基础。

仪器信息网：后续您团队的研发计划?

姜山：团队接下来的研发计划是：发展我们具有完全自主知识产权的超强电离质谱仪，包括：1、超强电离的加速器质谱仪和2、超强电离无机质谱仪（包括同位素质谱仪和元素质谱仪）两大类，打开更大的应用空间。超强电离质谱仪是我国在质谱领域实现领跑的一种质谱仪。计划2025年，实现这两种超强电离质谱仪的工业化的制作，并投放市场开展应用。

超强电离质谱仪：是指质谱仪的离子源具有超强的电离作用，能够剥离掉多个电子，离子具有3+、4+，，，电荷态，甚至全剥离态。当离子的电荷态≥3+ 时，所有的分子离子或多原子离子全部瓦解，再结合核物理中的离子鉴别技术，就排除了传统质谱测量中最主要的干扰 (分子离子或多原子离子干扰) 和实现同量异位素（如⁴⁰K、⁴⁰Ar和⁴⁰Ca）的分辨。具有超强电离作用的离子源有多种，我们选用电子回旋共振电离型（ECR）离子源。我们研发的超强电离质谱仪为ECR-AMS和ECR-MS两类。

超强电离质谱仪因其能够排除各种成分离子的干扰，突破了传统质谱仪只能够测量M/q的瓶颈，实现了真正质量谱测量。因此，显著提高了性能指标，其测量灵敏度能够提高100—10000倍，测量精度能够提高10—100倍。这样就大大的扩展了应用空间。在地质与考古、环境与资源、医疗与健康、材料与能源等领域都能够解决很多以前解决不了的问题。

目前团队已经完成原理验证装置和原理验证实验，也获得了5项国际发明专利的授权。2022年，超强电离质谱仪技术获得了全国首届颠覆性技术大赛一等奖。

仪器信息网：多年来，您团队一直坚持加速器质谱技术的研究工作，请您谈谈有哪些体会、收获、经验？

姜山：共有三点体会：

第一、核心团队最重要。当前的高科技领域，尤其是科学仪器，都一定是多学的交叉与融合，不是那一两个人就能够完成的。AMS领域涉及：进样器技术、离子源技术、加速器技术、分析器技术、探测器与电子学技术、自动控制技术共计六大技术领域。我们不但有团队，最重要的是有一个核心技术团队，核心团队里掌握上述六大技术领域的前沿和最先进的技术。因此，核心技术团队是科学仪器研发最重要的基础，没有这样一个团队研发工作是无法开展的。

第二、创新是立足和发展的根本。众所周知、目前科学仪器界里，接大多数的核心技术都掌握在外国人手里。而我国所掌握的核心知识产（原创技术），寥寥无几，其原因还是创新能力的不足。为什么我国在科学仪器上缺少创新力？评价机制（以论文数量论英雄）和市场导向（造船不如买船，买船不如租船）是根本所在，我们在这里不做过多分析。总之我们需要创新，创新的关键需要创新型人才，尤其是领军人才。谁获得了创新型领军人才，谁就能够得到最先进的科学仪器，“仪器强则科技强，科技强则国家强”。如果没有创新，就没有自己的核心技术，生产的产品就是模仿，企业发展就是靠“内卷”，很难立足稳定，更难以不断发展。

第三、持之以恒是保障。仪器的研发是一个十分艰难的过程，需要有经费的支持、需要有人才队伍的的建设、思想的统一、需要突破关键部件的研制等等，更需要有创新的仪器设计。不仅仅要战胜一个又一个的困难，还要承受一次又一次失败的打击和烦恼。对待这些，都需要有一股韧劲和一种百折不挠的精神，持之以恒，才能够取得最后的胜利。企业的成功应该是，在第一和第二的基础上持之以恒，坚持、坚持再坚持！