科技日報記者 劉垠
近日，我國首臺自主知識產權碳離子治療系統(tǒng)投入臨床應用迎來“周歲”，蘭州重離子加速器治癌也亮出了成績單：300多名患者在甘肅武威重離子中心接受治療，治療結束的患者療效顯著,耐受性良好。
“蘭州重離子研究裝置是目前亞洲能量最高、國內唯一的中低能重離子加速器。但這一大國重器從基礎研究走向民生應用，整整用了28年?！敝袊茖W院院士、中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）黨委書記趙紅衛(wèi)說，這些重大科研成果的取得，離不開65年來幾代科學家的接力建設。
“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’?！苯锢硭宋锢碇行氖紫茖W家張玉虎研究員說，隨著重離子加速器的不斷“進化”，科學家們可以源源不斷地產出重離子治癌裝置、精確測量短壽命原子核質量、合成新核素、培育更優(yōu)品種的農作物等系列成果。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（CSR）主環(huán)隧道南側一角 受訪者供圖
“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、冷卻儲存環(huán)主環(huán)和實驗環(huán)、放射性束流線共同組成了綿延的龍身，各種實驗終端應用則是靈活的龍尾。
走進蘭州重離子加速器國家實驗室，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家，從北京中關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1.5米回旋加速器?！壁w紅衛(wèi)告訴科技日報記者，彼時經歷了三年自然災害以及蘇聯政府毀合同、撤專家的困境。
正是楊澄中帶領全體工程技術人員，自力更生、攻堅克難，終于在1964年5月，1.5米回旋加速器正式運轉，供科學研究使用，為我國原子核物理研究創(chuàng)造了重要的實驗條件。
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，時任研究所所長楊澄中等人提出，在蘭州建造一臺大型分離扇重離子回旋加速器(SSC)。
“當時國際上重離子物理研究才剛起步，老一輩科學家的前瞻思維和戰(zhàn)略眼光為此后發(fā)展打開了全新的視角?！壁w紅衛(wèi)說。
時光的腳步來到“七五”，后來成為中科院院士、近代物理所所長的魏寶文，追隨老師楊澄中的腳步投身重離子加速器研制中。
在一窮二白的基礎上搞研究，難度可想而知。1975年底，加速器建造方案討論會召開，魏寶文根據研究結果拋出了令人振奮的結論：“理論基礎是可靠的，我們一定能建成自己的回旋加速器?！?/p>
1976年11月，原國家計委批準蘭州重離子加速器的建造計劃。歷經十二載寒暑，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步獎一等獎。作為目前國際上運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行30年。
“到了上世紀90年代中期，魏寶文老師提出在蘭州重離子加速器上續(xù)建冷卻存儲環(huán)的設想?！鄙頌閷W生的趙紅衛(wèi)說，老師當時并沒有十足把握，只是意識到必須讓重離子加速再往前走一步，提高束流強度和能量，拓展束流品種。
于是，魏寶文帶領三個研究生，包括后來成為院士的夏佳文、趙紅衛(wèi)等做預研，并證明了項目的可行性。2000年，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（CSR）建設被列為國家“九五”大科學工程之一。
時任所長，后來成為中科院院士、中科院副院長的詹文龍擔任工程經理，從魏寶文手中接過棒，帶領一批優(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存環(huán)建成并投入運行，它實現了從氫到鈾的全離子加速，完成了從低中能向高能的跨越，成為世界級的大型核物理實驗裝置、國際一流的重離子科研平臺。
令人振奮的是，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)能讓上億個重離子同步運行，自主研制率逾90％。
敲開原子核，探尋宇宙奧秘
歷經“1.5米經典回旋加速器”“蘭州重離子研究裝置”和“蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)”三代國家大科學工程建設, 蘭州重離子研究裝置在國內外聲名鵲起，也培養(yǎng)了一批本領過硬、潛心科研的人才。
人類探索星空的腳步從未停歇，好奇心驅使著人類一次次仰望星空，一步步接近宇宙和科學的奧義。然而，我們對浩瀚的宇宙還知之甚淺，比如，比鐵更重（包括鐵在內）的元素的起源、產生的途徑缺乏科學數據的支撐，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。
“科學家要拿極低截面——發(fā)生概率很低的實驗數據去解釋一些國際前沿科學問題，這就要發(fā)展更先進的實驗技術和探測方法?！苯锢硭铀倨骷夹g中心副主任孫良亭研究員解釋說，為拿到更多的有用數據、提高實驗精度與效率，發(fā)展高流強、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的第三代超導高電荷態(tài)電子回旋共振（ECR）離子源裝置。如今，在老師趙紅衛(wèi)院士的帶領下，孫良亭正和所在團隊攻關研發(fā)世界首臺45GHz（吉赫）基于鈮三錫超導磁體的高電荷態(tài)ECR離子源。
制造出新的原子核并精確測出質量，是科學家們的不懈追求和夢想，原子核的質量數據對核天體物理具有重要的應用價值。
“以鈷-51為例，2萬億億個鈷-51比一粒小米還輕，壽命只有100毫秒。”張玉虎說，“眨一下眼睛的功夫，這個原子核已經死亡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存環(huán)，制造出了可以測量短壽命原子核質量的“秤”——等時性質量譜儀，其精確度可達10-7。
“10-7量級的精度，相當于在一架空客A380上可分辨出一個U盤的質量?！皬堄窕⑿χf，通過不斷的技術和方法創(chuàng)新，當前，近代物理所保持著測量壽命最短和精度最高的世界紀錄。
科學家把各種不同的原子核統(tǒng)稱為核素。核理論家們預言核素約有8000多個，目前自然界存在的穩(wěn)定的原子核只有280多種，科學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，近代物理所的科學家們合成研究了32個新核素，它們正逐漸在醫(yī)學、材料研究、農業(yè)等領域得到應用。
加速科技進步，“重”在造福民生
“加速器加速科技進步，重離子重在造福人民。”中國科學院原院長白春禮的題詞，陳列在近代物理所學術報告廳。大科學裝置的應用要“頂天立地”，這也是幾代近代物理所人建設發(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研究領域產出豐厚，相關成果應用也是多點開花，如開展航天元器件地面檢測和評估工作，成為相關部門指定的檢測基地。
“上天的衛(wèi)星及其所攜帶的電子設備，不可避免會暴露在充滿高能電子、質子和重離子等空間輻射環(huán)境中，高能宇宙射線會造成大多數半導體器件出現單粒子效應，嚴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裝置，科研人員建造了具有國際一流技術指標單粒子效應地面模擬裝置，更好地為中國航天元器件保駕護航。
重離子技術用于治癌，成為基礎研究促進科技發(fā)展、大科學裝置造福社會的典范。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，通過先進加速器技術和核探測技術研發(fā)、重離子束治療的相關生物學基礎研究以及臨床前期試驗研究，使中國成為世界上第四個實現重離子束臨床治療的國家。
“國產重離子治療系統(tǒng)的很多標準都是由我們起草的，從基礎研究到技術研發(fā)，從產品示范再到臨床應用，這個過程是自主創(chuàng)新的生動實踐。”全國政協(xié)委員、近代物理所產業(yè)化總監(jiān)蔡曉紅研究員說。
走進計劃于今年底投入運營的蘭州重離子醫(yī)院，占地長80米、寬50米、凈高達18米的重離子治療設備闖入眼簾。
“把重離子從離子源引出來，經過注入器預加速，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、對常規(guī)射線不敏感、常規(guī)射線治療后復發(fā)的部分實體腫瘤的治療。
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。通過調節(jié)入射離子的能量和方向，可使布拉格峰精準轟擊腫瘤靶區(qū)，精度達毫米量級，而對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營的我國首臺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)督管理局批準上市，歷時5年多。
“從科研設備到醫(yī)療器械產品，完全是兩個概念?！弊鳛樵擁椖康娜虆⑴c者，蔡曉紅深有感觸地說。她還通過政協(xié)提案的方式，及時反映了重離子技術研發(fā)和示范應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備的注冊納入創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊的綠色通道。
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帶來的福利。同時，通過超導技術的應用，讓治療設備更加小型化、智能化，以減小占地面積、提高治療效率。
大事記
1963年10月，1.5米回旋加速器安裝調整結束
1988年12月，分離扇回旋加速器聯調成功，引出能量為每核子50兆電子伏特的碳離子束
1992年10月，蘭州重離子加速器獲國家科技進步獎一等獎
2008年7月，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)通過國家驗收
2018年12月23日，強流重離子加速器裝置HIAF項目開工建設，建設周期7年
2019年12月，自行設計研制的國內首臺連續(xù)波高電荷態(tài)強流重離子直線加速器與分離扇回旋加速器聯合調試
2020年3月，我國首臺自主知識產權“碳離子治療系統(tǒng)”在武威投入臨床應用
