蘭州重離子加速器： 探秘宇宙惠及民生的“巨龍”

　　走近可以治療

　　癌癥的“巨龍”

　　近日，我國首臺(tái)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)碳離子治療系統(tǒng)投入臨床應(yīng)用迎來“周歲”，蘭州重離子加速器治癌也亮出了成績(jī)單：300多名患者在甘肅武威重離子中心接受治療，治療結(jié)束的患者療效顯著，耐受性良好。

　　“蘭州重離子研究裝置是目前亞洲能量最高、國內(nèi)唯一的中低能重離子加速器。但這一大國重器從基礎(chǔ)研究走向民生應(yīng)用，整整用了28年�！敝袊�科學(xué)院院士、中國科學(xué)院近代物理研究所(以下簡(jiǎn)稱近代物理所)黨委書記趙紅衛(wèi)說，這些重大科研成果的取得，離不開65年來幾代科學(xué)家的接力建設(shè)。

　　“如果把科研人員比作匠人，蘭州重離子加速器提供的束流就是我們手中的‘金剛鉆’�！苯�代物理所核物理中心首席科學(xué)家張玉虎研究員說，隨著重離子加速器的不斷“進(jìn)化”，科學(xué)家們可以源源不斷地產(chǎn)出重離子治癌裝置、精確測(cè)量短壽命原子核質(zhì)量、合成新核素、培育更優(yōu)品種的農(nóng)作物等系列成果。

　　“我們一定能建成自己的回旋加速器”

　　如果將重離子加速器比作一條巨龍，電子回旋共振離子源是龍頭即是發(fā)射炮彈的地方，1.7米扇聚焦回旋加速器、大型分離扇回旋加速器、冷卻儲(chǔ)存環(huán)主環(huán)和實(shí)驗(yàn)環(huán)、放射性束流線共同組成了綿延的龍身，各種實(shí)驗(yàn)終端應(yīng)用則是靈活的龍尾。

　　走進(jìn)蘭州重離子加速器國家實(shí)驗(yàn)室，偌大的展廳中，中國重離子事業(yè)奠基人楊澄中院士的雕像居中佇立。對(duì)于近代物理所人來說，他們更愿意尊稱楊澄中為“楊先生”。

　　“‘一五’期間，以楊澄中先生為代表的一批科學(xué)家，從北京中關(guān)村來到條件非常艱苦的蘭州，懷著篤定的信念和創(chuàng)新開拓的決心，建設(shè)1.5米回旋加速器�！壁w紅衛(wèi)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，彼時(shí)經(jīng)歷了三年自然災(zāi)害以及蘇聯(lián)政府毀合同、撤專家的困境。

　　正是楊澄中帶領(lǐng)全體工程技術(shù)人員，自力更生、攻堅(jiān)克難，終于在1964年5月，1.5米回旋加速器正式運(yùn)轉(zhuǎn)，供科學(xué)研究使用，為我國原子核物理研究創(chuàng)造了重要的實(shí)驗(yàn)條件。

　　為使中國重離子物理研究盡快走向國際核物理研究前沿，1972年，時(shí)任研究所所長(zhǎng)楊澄中等人提出，在蘭州建造一臺(tái)大型分離扇重離子回旋加速器(SSC)。

　　“當(dāng)時(shí)國際上重離子物理研究才剛起步，老一輩科學(xué)家的前瞻思維和戰(zhàn)略眼光為此后發(fā)展打開了全新的視角�！壁w紅衛(wèi)說。

　　時(shí)光的腳步來到“七五”，后來成為中科院院士、近代物理所所長(zhǎng)的魏寶文，追隨老師楊澄中的腳步投身重離子加速器研制中。

　　在一窮二白的基礎(chǔ)上搞研究，難度可想而知。1975年底，加速器建造方案討論會(huì)召開，魏寶文根據(jù)研究結(jié)果拋出了令人振奮的結(jié)論：“理論基礎(chǔ)是可靠的，我們一定能建成自己的回旋加速器�！�

　　1976年11月，原國家計(jì)委批準(zhǔn)蘭州重離子加速器的建造計(jì)劃。歷經(jīng)十二載寒暑，老、中、青三代人的努力，終于在1988年歲末建成了我國第一臺(tái)大型重離子加速器。遺憾的是，楊澄中沒有等到這一刻。

　　蘭州重離子加速器的成功出束，宣告中國建成了繼法國、日本之后的第三臺(tái)大型重離子回旋加速器。1992年，這一重大成果摘得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。作為目前國際上運(yùn)行的三大常溫重離子回旋加速器之一，蘭州重離子加速器至今已運(yùn)行30年。

　　“到了上世紀(jì)90年代中期，魏寶文老師提出在蘭州重離子加速器上續(xù)建冷卻存儲(chǔ)環(huán)的設(shè)想。”身為學(xué)生的趙紅衛(wèi)說，老師當(dāng)時(shí)并沒有十足把握，只是意識(shí)到必須讓重離子加速再往前走一步，提高束流強(qiáng)度和能量，拓展束流品種。

　　于是，魏寶文帶領(lǐng)三個(gè)研究生，包括后來成為院士的夏佳文、趙紅衛(wèi)等做預(yù)研，并證明了項(xiàng)目的可行性。2000年，蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)(CSR)建設(shè)被列為國家“九五”大科學(xué)工程之一。

　　時(shí)任所長(zhǎng)，后來成為中科院院士、中科院副院長(zhǎng)的詹文龍擔(dān)任工程經(jīng)理，從魏寶文手中接過棒，帶領(lǐng)一批優(yōu)秀的年輕人，開啟了十年的接續(xù)奮斗。

　　2008年，蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)建成并投入運(yùn)行，它實(shí)現(xiàn)了從氫到鈾的全離子加速，完成了從低中能向高能的跨越，成為世界級(jí)的大型核物理實(shí)驗(yàn)裝置、國際一流的重離子科研平臺(tái)。

　　令人振奮的是，蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)能讓上億個(gè)重離子同步運(yùn)行，自主研制率逾90%。

　　敲開原子核，探尋宇宙奧秘

　　歷經(jīng)“1.5米經(jīng)典回旋加速器”“蘭州重離子研究裝置”和“蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)”三代國家大科學(xué)工程建設(shè)， 蘭州重離子研究裝置在國內(nèi)外聲名鵲起，也培養(yǎng)了一批本領(lǐng)過硬、潛心科研的人才。

　　人類探索星空的腳步從未停歇，好奇心驅(qū)使著人類一次次仰望星空，一步步接近宇宙和科學(xué)的奧義。然而，我們對(duì)浩瀚的宇宙還知之甚淺，比如，比鐵更重(包括鐵在內(nèi))的元素的起源、產(chǎn)生的途徑缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)的支撐，所以，宇宙天體演化形成過程雖然絢爛，但卻撲朔迷離，依然存在大量未知。

　　“科學(xué)家要拿極低截面——發(fā)生概率很低的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去解釋一些國際前沿科學(xué)問題，這就要發(fā)展更先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和探測(cè)方法�！苯�代物理所加速器技術(shù)中心副主任孫良亭研究員解釋說，為拿到更多的有用數(shù)據(jù)、提高實(shí)驗(yàn)精度與效率，發(fā)展高流強(qiáng)、高電荷態(tài)的重離子離子源迫在眉睫。

　　于是，近代物理所在2005年成功研制了國際上最先進(jìn)的第三代超導(dǎo)高電荷態(tài)電子回旋共振(ECR)離子源裝置。如今，在老師趙紅衛(wèi)院士的帶領(lǐng)下，孫良亭正和所在團(tuán)隊(duì)攻關(guān)研發(fā)世界首臺(tái)45GHz(吉赫)基于鈮三錫超導(dǎo)磁體的高電荷態(tài)ECR離子源。

　　制造出新的原子核并精確測(cè)出質(zhì)量，是科學(xué)家們的不懈追求和夢(mèng)想，原子核的質(zhì)量數(shù)據(jù)對(duì)核天體物理具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　“以鈷-51為例，2萬億億個(gè)鈷-51比一粒小米還輕，壽命只有100毫秒�！睆堄窕⒄f，“眨一下眼睛的功夫，這個(gè)原子核已經(jīng)死亡10次了。”

　　2009年起，近代物理所科研人員利用蘭州重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)，制造出了可以測(cè)量短壽命原子核質(zhì)量的“秤”——等時(shí)性質(zhì)量譜儀，其精確度可達(dá)10-7。

　　“10-7量級(jí)的精度，相當(dāng)于在一架空客A380上可分辨出一個(gè)U盤的質(zhì)量�！皬堄窕⑿χ�說，通過不斷的技術(shù)和方法創(chuàng)新，當(dāng)前，近代物理所保持著測(cè)量壽命最短和精度最高的世界紀(jì)錄。

　　科學(xué)家把各種不同的原子核統(tǒng)稱為核素。核理論家們預(yù)言核素約有8000多個(gè)，目前自然界存在的穩(wěn)定的原子核只有280多種，科學(xué)家們利用加速器人工合成3000多種不穩(wěn)定的放射性核素。

　　借助重離子加速器裝置，近代物理所的科學(xué)家們合成研究了32個(gè)新核素，它們正逐漸在醫(yī)學(xué)、材料研究、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　加速科技進(jìn)步，“重”在造福民生

　　“加速器加速科技進(jìn)步，重離子重在造福人民�！敝袊�科學(xué)院原院長(zhǎng)白春禮的題詞，陳列在近代物理所學(xué)術(shù)報(bào)告廳。大科學(xué)裝置的應(yīng)用要“頂天立地”，這也是幾代近代物理所人建設(shè)發(fā)展重離子加速器的初心。

　　近年來，蘭州重離子加速器在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域產(chǎn)出豐厚，相關(guān)成果應(yīng)用也是多點(diǎn)開花，如開展航天元器件地面檢測(cè)和評(píng)估工作，成為相關(guān)部門指定的檢測(cè)基地。

　　“上天的衛(wèi)星及其所攜帶的電子設(shè)備，不可避免會(huì)暴露在充滿高能電子、質(zhì)子和重離子等空間輻射環(huán)境中，高能宇宙射線會(huì)造成大多數(shù)半導(dǎo)體器件出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，嚴(yán)重威脅航天器在軌安全�！苯�代物理所材料中心主任劉杰研究員說，依托蘭州重離子加速器大科學(xué)裝置，科研人員建造了具有國際一流技術(shù)指標(biāo)單粒子效應(yīng)地面模擬裝置，更好地為中國航天元器件保駕護(hù)航。

　　重離子技術(shù)用于治癌，成為基礎(chǔ)研究促進(jìn)科技發(fā)展、大科學(xué)裝置造福社會(huì)的典范。1993年以來，近代物理所先后建成多代大型重離子加速器裝置，通過先進(jìn)加速器技術(shù)和核探測(cè)技術(shù)研發(fā)、重離子束治療的相關(guān)生物學(xué)基礎(chǔ)研究以及臨床前期試驗(yàn)研究，使中國成為世界上第四個(gè)實(shí)現(xiàn)重離子束臨床治療的國家。

　　“國產(chǎn)重離子治療系統(tǒng)的很多標(biāo)準(zhǔn)都是由我們起草的，從基礎(chǔ)研究到技術(shù)研發(fā)，從產(chǎn)品示范再到臨床應(yīng)用，這個(gè)過程是自主創(chuàng)新的生動(dòng)實(shí)踐�！比珖�政協(xié)委員、近代物理所產(chǎn)業(yè)化總監(jiān)蔡曉紅研究員說。

　　走進(jìn)計(jì)劃于今年底投入運(yùn)營的蘭州重離子醫(yī)院，占地長(zhǎng)80米、寬50米、凈高達(dá)18米的重離子治療設(shè)備闖入眼簾。

　　“把重離子從離子源引出來，經(jīng)過注入器預(yù)加速，然后在同步加速器中加速到最高能量——每核子400兆電子伏，它在人體里穿透的射程可達(dá)27厘米，能滿足不同深度腫瘤的治療。”蔡曉紅介紹，重離子治療的副作用小，療程短、療效好，特別適合于不宜手術(shù)、對(duì)常規(guī)射線不敏感、常規(guī)射線治療后復(fù)發(fā)的部分實(shí)體腫瘤的治療。

　　與常規(guī)放療射線相比，重離子在人體中的劑量損失集中于射程末端，在劑量隨射程分布曲線末端形成高劑量的布拉格峰。通過調(diào)節(jié)入射離子的能量和方向，可使布拉格峰精準(zhǔn)轟擊腫瘤靶區(qū)，精度達(dá)毫米量級(jí)，而對(duì)沿途和周圍健康組織的損傷最小。

　　碳離子是適于治療腫瘤的一種重離子。一年前在甘肅武威投入運(yùn)營的我國首臺(tái)自主研制的碳離子治療系統(tǒng)，從2014年4月開始安裝，直至獲得國家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)上市，歷時(shí)5年多。

　　“從科研設(shè)備到醫(yī)療器械產(chǎn)品，完全是兩個(gè)概念。”作為該項(xiàng)目的全程參與者，蔡曉紅深有感觸地說。她還通過政協(xié)提案的方式，及時(shí)反映了重離子技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用過程中急需解決的問題，國家藥品監(jiān)督管理局因此把重離子治療設(shè)備的注冊(cè)納入創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊(cè)的綠色通道。

　　談及重離子治癌未來的發(fā)展，蔡曉紅的愿望是，讓更多腫瘤患者能享受這一新技術(shù)帶來的福利。同時(shí)，通過超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，讓治療設(shè)備更加小型化、智能化，以減小占地面積、提高治療效率。