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蘭州重離子加速器:探索造福民生的宇宙“龍”

近日，我國首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳離子治療系統(tǒng)投入臨床應(yīng)用，蘭州重離子加速器也展示了癌癥治療的成績(jī)單：甘肅武威重離子中心治療患者300余例，治療后患者療效顯著，耐受性良好。

“蘭州重離子研究中心是目前中國唯一的中低能重離子加速器，能量居亞洲之首。但是，這個(gè)大國從基礎(chǔ)研究走向民生應(yīng)用，用了28年。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院現(xiàn)代物理研究所(以下簡(jiǎn)稱現(xiàn)代物理研究所)黨委書記趙宏偉說，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)。

“如果把研究人員比作工匠，蘭州重離子加速器提供的光束就是我們手中的‘金剛鉆’?！爆F(xiàn)代物理研究所核物理中心首席科學(xué)家張玉虎研究員表示，隨著重離子加速器的不斷“進(jìn)化”，科學(xué)家可以不斷產(chǎn)生重離子治癌裝置、短壽命核質(zhì)量的精確測(cè)量、新核素的合成、農(nóng)作物優(yōu)良品種的培育等一系列成果。

“我們一定能建成自己的回旋加速器”

如果把重離子加速器比作巨龍，那么電子回旋共振離子源就是水龍頭，也就是發(fā)射炮彈的地方。1.7米扇形聚焦回旋加速器、大型分離式扇形回旋加速器、蓄冷環(huán)主環(huán)、實(shí)驗(yàn)環(huán)和放射性束流線組成一條長(zhǎng)龍?bào)w，各種實(shí)驗(yàn)終端應(yīng)用為柔性龍尾。

走進(jìn)重離子加速器蘭州國家實(shí)驗(yàn)室，中國重離子產(chǎn)業(yè)奠基人楊承忠院士雕像矗立在巨大的展廳中央。對(duì)于現(xiàn)代物理研究所的人來說，他們更喜歡稱呼楊承忠為“楊老師”。

“在‘一五’期間，以楊承忠老師為代表的一批科學(xué)家來到條件十分艱苦的蘭州，以堅(jiān)定的信念和創(chuàng)新發(fā)展的決心建造了1.5米回旋加速器?！壁w宏偉告訴《科技日?qǐng)?bào)》記者，經(jīng)歷了三年的自然災(zāi)害和蘇聯(lián)政府破壞合同、撤回專家的困境。

是楊承忠?guī)ьI(lǐng)所有的工程技術(shù)人員通過自力更生戰(zhàn)勝了困難。最后，1964年5月，1.5米回旋加速器正式投入科研運(yùn)行，為我國核物理研究創(chuàng)造了重要的實(shí)驗(yàn)條件。

1972年，時(shí)任研究所所長(zhǎng)的楊承忠提出在蘭州建設(shè)大型分離扇重離子回旋加速器(SSC)，以使我國重離子物理研究盡快走向國際核物理研究的前沿。

“當(dāng)時(shí)國際上對(duì)重離子物理的研究剛剛起步，老一輩科學(xué)家的前瞻性思維和戰(zhàn)略眼光為這一未來發(fā)展開辟了新的視角?！壁w宏偉說道。

時(shí)間的腳步來到了七五。后來，中國科學(xué)院院士、現(xiàn)代物理研究所所長(zhǎng)魏追隨其老師楊承忠的腳步，致力于重離子加速器的研制。

可以想象，很難在貧窮的基礎(chǔ)上做研究。1975年底，加速器建設(shè)方案研討會(huì)召開。根據(jù)研究結(jié)果，魏拋出了一個(gè)激動(dòng)人心的結(jié)論：“理論依據(jù)是可靠的，我們當(dāng)然可以建造自己的回旋加速器?！?

1976年11月，原國家計(jì)委批準(zhǔn)了蘭州重離子加速器建設(shè)計(jì)劃。經(jīng)過十二年的寒暑，經(jīng)過老、中、年輕一代的努力，我國第一臺(tái)大型重離子加速器終于在1988年底建成?？上畛兄覜]有等到這一刻。

蘭州重離子加速器的成功宣布，我國建成了繼法國、日本之后的第三座大型重離子回旋加速器。1992年，這一重大成果獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。蘭州重離子加速器，三重離子加速器之一

90年代中期，魏鮑文老師提出了在蘭州重離子加速器上繼續(xù)建造冷卻儲(chǔ)存環(huán)的設(shè)想學(xué)生趙宏偉表示，當(dāng)時(shí)老師并不完全確定，但意識(shí)到要加速重離子并向前邁進(jìn)一步，提高束流強(qiáng)度和能量，擴(kuò)大束流品種。

為此，魏帶領(lǐng)夏、趙宏偉等三位后來成為院士的研究生進(jìn)行前期研究，論證了項(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”科技項(xiàng)目之一。

時(shí)任中國科學(xué)院院長(zhǎng)、后院士、中國科學(xué)院副院長(zhǎng)詹擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理，接過魏的接力棒，帶領(lǐng)一批優(yōu)秀青年，開始了長(zhǎng)達(dá)十年的持續(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)了所有離子從氫到鈾的加速，完成了從低能到中能到高能的飛躍。成為世界級(jí)大型核物理實(shí)驗(yàn)裝置和世界級(jí)重離子科研平臺(tái)。

ass="one-p">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锢硭铀倨骷夹g(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?！?/p>

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。“張玉虎笑著說，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茖W(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锢硭牧现行闹魅蝿⒔苎芯繂T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f(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?！辈虝约t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。