趙紅衛院士：重離子加速器擁有哪些“絕活”

趙紅衛，中國科學院院士。他長期從事離子加速器物理及技術研究。作為主要貢獻者，他參與建設了蘭州重離子冷卻儲存環大科學裝置和我國首臺完全自主知識產權的重離子腫瘤治療裝置。他還主持建成了多臺強流高電荷態離子源，引領了國際高電荷態電子回旋共振離子源發展，負責建成了目前國際上束流強度和束流功率最高的連續波質子超導直線加速器。曾榮獲國家科技進步二等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎。

“蘭州重離子加速器”是中國核物理研究領域一個重要的大科學裝置。它誕生于20世紀60年代初，剛開始只是一個直徑5米的“小家伙”，協助科學家進行核物理研究，為我國的氫彈研制作出了一些貢獻。經過科學家幾十年的邊研究邊建設，“蘭州重離子加速器”已經從當年占地面積只有400多平方米的“小家伙”成長為現在占地上萬平方米、擁有三項絕活的“大塊頭”。上天，能為航天器核心零部件做體檢，保障它們正常運行；下地，能為農民培育優良的農作物品種；治療人人談之色變的癌癥也是它的強項，這可是當今全球醫學界非常熱門的一個領域。

重離子加速器如何建成

我們生存的宇宙來源于一次大爆炸，大爆炸后的萬分之一微秒時間里形成基本粒子，像夸克、膠子等，然后一百微秒級產生了核子，就是質子和中子，經過大爆炸3分鐘左右時形成了非常輕的核，像質子、氦這樣輕的核，然后經過10萬年左右時間逐步演化形成氫、氦這樣的輕元素，還有稍微重一點輕元素，又經過10億年時間逐漸形成了現在能看到的星體，再經過138億年時間，逐漸把大爆炸當時產生的簡單、無趣的宇宙演變成我們今天看到的色彩斑斕、非常美麗的世界。利用核反應把大爆炸原初所產生的氫、氦逐漸合成產生了金、鉍、鉛，還有鈾——這樣非常重的元素。元素周期表中，氫、氦之后都算重元素，它們的原子失去外層電子后就變成了重離子，常用的有碳離子、鐵離子、鈾離子等等。將重離子加速到接近光速，形成能量極高的離子束。這些離子束就像透視眼一樣，能幫人類“看穿”很多東西。

你可以把帶電離子加速器想象成一個火力十足的大炮，這個大炮噴射出來的就是離子束。用這些離子束可以打一個靶，這個靶既可以是運動的，也可以是靜止的。打在靶上會發生什么呢？就會發生核反應，如果核反應的產物是中子、光子或者是伽馬射線，就可以用來成像。比如海關的集裝箱檢測就是用加速器技術來產生高能量的伽馬射線，可以看清楚集裝箱里面的物體是什么東西，甚至分辨率如果高的話，可以看清集裝箱里面貨物的內部構造；如果它的產物是光子或者中子，可以用來探測生物大分子的結構，中子也可以用來成像研究航空發動機葉片的殘余應力。如果離子束能量更高，它反應的產物有可能是核產物或者是放射性的同位素，或者是夸克這種基本粒子，可以通過測量這些核產物以及這些基本粒子，開展核物理和粒子物理關鍵科學問題的研究。

蘭州重離子加速器實際上是由四臺加速器串聯起來，前面兩臺是回旋加速器，把離子束先進行初步的加速，加速到一定的能量，后面接著兩臺重離子的冷卻儲存環，也可以稱作重離子同步加速器。這個重離子同步加速器周長是162米，它可以把離子加速到光速的0.8倍。離子束加速到光速的0.8倍有多厲害呢？假如說四五個人沿著縱向排隊站在一起的話，這樣的離子束可以把四五個人直接射穿。20世紀80年代，我國就能建造這么大型的重離子回旋的加速器，即使現在它也是世界三大常溫重離子回旋加速器之一。

重離子加速器的重要應用——癌癥治療

重離子加速器有三大絕活，其中與百姓生活直接相關的，現在最熱門的，應該就是癌癥治療。重離子治癌最早由美國科學家提出，1975年，他們在勞倫斯伯克利國家實驗室治療了第一個病人。1994年，日本國立放射科學研究所將一臺重離子加速器用于臨床，這也是世界上第一個醫療專用的重離子加速器設備。緊隨其后，德國也開始研究重離子加速器治療癌癥，并于1997年開始臨床試驗。重離子加速器治療癌癥的方法簡單來說，就是先定位，確定好腫瘤的位置；再瞄準，算好腫瘤和離子束發射口之間的距離；最后調節參數，射擊，讓離子束剛好能在腫瘤位置爆發最大能量，殺死癌細胞。

重離子束可以用來做腫瘤治療，治療精準，療效顯著，副作用極低。為什么說重離子束療效這么好呢？實際上與重離子束非常神奇的特性有關系。離子束射入任何物體里面，它的能量損失射程都有一個分布曲線，叫布拉格峰，在射程期間它的能量沉積或劑量沉積非常非常低，只有在射程的末端離子束突然釋放出能量。這是任何離子束，包括質子束和重離子束都有的一個特點。比如說在顱內有一個腫瘤，離子束是從頭皮射入，從頭皮到腫瘤這一段射入過程中，它釋放出的能量非常低，劑量非常低，對正常組織損傷非常小，也就是說它的副作用非常低，只有到腫瘤這個位置的時候突然爆發，把能量釋放出來用來殺死腫瘤。重離子為什么能夠對癌細胞有這么高的致死率？是因為重離子射入到人體以后，通過各種各樣的機制它能夠把癌細胞的DNA的雙鏈直接打斷，癌細胞就逐漸地凋亡，所以它殺死癌細胞的能力非常強，效率也非常高。

2006年，甘肅省重離子腫瘤臨床治療實驗室成立，迎來了第一位癌癥病人。截至目前，武威重離子治療中心已經治療了1200多個病例，年齡最大的93歲，最小的只有14歲。從2019年到現在我們推廣的這種完全自主知識產權的重離子治療裝置，已經有8臺。

重離子加速器讓育種技術邁上新臺階

除了大家關心的癌癥治療之外，重離子加速器的第二項絕活，也跟大家的生活息息相關。我國作為一個人口大國，糧食安全一直都是重中之重，在我國的重離子加速器誕生之前，我國科學家就已經在用低能量的離子束誘變技術進行農作物育種，而有了重離子加速器之后，更高能量的離子束讓育種技術又上了一個新的臺階。

重離子束做腫瘤治療，它最基本的機理就是用離子束把癌細胞的DNA的雙鏈直接打斷。大家可以想象，假如說用重離子束來輻照植物的種子，植物的種子也是有DNA的，不把它的DNA全部打斷，而是一部分打斷，DNA是有修復能力的，這時候它就可以自我修復，在修復的過程中有可能會出現錯誤修復，會讓DNA出現突變。因此我們可以利用DNA突變的特點，做離子束的輻照育種，這種輻照育種的機理實際上和太空育種是類似的。大家都聽說過太空育種，宇宙射線里面也有高能量的質子和重離子，種子通過宇宙飛船帶到太空以后，靠宇宙射線來進行輻照。太空育種有點像守株待兔，因為它是利用太空里面各種各樣的宇宙射線，宇宙射線的種類、能量是沒辦法控制的。但是我們地面的加速器所提供的離子束，它的離子的種類可以控制，它的束流強度可以控制，能量也可以控制，所以可以做到精準調控。這樣就可以進行篩選，篩選出來以后再進行一代一代的培育，最后能夠培育出新的品種，或者是植物的新品系。

中國科學院近代物理研究所通過重離子束的輻照，培育出了新的小麥品種叫“隴輻2號”，在甘肅省種植面積曾經超過了800余萬畝。通過重離子束輻照育種，產生這種新的小麥品種，它的桿很粗，可以抗倒伏，而且它的產量有一定的提高，它的優勢在這里。另外重離子束還可以用來誘變水稻、粳稻的新型品種，比如說“東稻122”“東稻275”等等，我們培育了大概4個新品種，2022年“東稻122”在吉林省和黑龍江省種植的面積大概是50多萬畝。通過重離子束輻照培育新的水稻品種，大米里面重金屬的含量可以大幅度下降，重離子束在農作物的輻照育種上可以發揮很重要的作用。

給航天器電子器件體檢

從地球看太空，似乎一片安寧。但其實大氣層外十分兇險，宇宙射線暗流洶涌，空間輻射暴躁猙獰，會干擾甚至損壞火箭、衛星上的重要元器件，嚴重威脅航天器的安全。所以，航天器在上天之前，需要進行嚴格的“體檢”。國內外有大量的航天器件，因為單粒子效應這一個原因導致故障或者是失敗。根據美國航空航天局的統計，各種各樣的航天器，所有故障里面大約45%的故障率是來自高能離子的單粒子效應造成的。2011年俄羅斯有一個火星探測器機載的計算機，由于單粒子效應的問題最后失效，不能完成在軌點火，火星探測器和地面失去了聯系，最后墜入到太平洋。所以可以看出單粒子效應對航天器械的危害有多大。

蘭州重離子加速器在地面可以模擬太空里面高能的離子束，在地面就可以驗證航天器件能不能扛得住太空里面高能射線的轟擊。蘭州重離子加速器為我國的北斗、天宮、神舟、嫦娥等任務型號的元器件，提供了重離子束來做單粒子效應地面模擬，對這方面的實驗發揮了很重要的作用。

合成新元素

治療癌癥、輻照育種、給航天器電子器件體檢，其實這三大絕活都是重離子加速器的日常工作，除了這些，重離子加速器還肩負著一項重要的科學使命，那就是合成新的元素，這也是當初科學家把重離子加速器造出來的重要目的。我們中學學過的化學元素周期表，目前一共是118個元素，其中，92號鈾元素之前，都是在自然界中發現的穩定元素，而92號以后，全是人工合成的新元素，尤其是100號以后，都是靠重離子加速器合成的。如今，全世界許多科學家都鉚足了勁兒，看誰能率先造出第119號新元素，開啟元素周期表全新的一行——第八周期。

如何合成新元素呢？實際上就是把兩個原子核通過熔合反應熔合成一個新的原子核。大家可以想象，把兩滴水合成一滴水這是比較容易的事情，但是你要把兩個原子核熔合成一個新的原子核，這就要克服巨大的核力。我們知道，原子核都是帶正電荷的，它們之間有非常強的作用力，只能通過熔合反應才能夠生成新的原子核。

現在全世界都在競爭，看哪一個國家能夠首先合成119號或者120號元素，這主要是日本、俄羅斯、美國和中國之間的競爭。我們現在也具備合成119號元素的基本條件，參與到了激烈的國際競爭中。人類能夠合成這種新的超重元素嗎？確實不知道，這是基礎研究的魅力，就是探索未知，我們翹首以待。

重離子加速器的巨大潛力

重離子加速器還有很大的潛力，科學家正在努力讓它變得更強大，產生更高能量、更多離子束，解決更復雜的科學問題。

現在，中國科學院近代物理研究所正在廣東惠州建設兩臺大規模的、更高能量的、更高束流強度的離子加速器，一個叫強流重離子加速器裝置（HIAF），主要是用于核物理、高能量密度物理以及原子物理等領域重大科學問題的研究；另外一個叫加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS），主要用于核電站產生的核廢料的處理——前期研究，以及加速驅動的先進核能方面的研究。這兩臺大型加速器都是國家“十二五”重大科技基礎設施，總投入大概是70億元。這兩臺加速器正在建設，總占地面積大概是900畝。為了建造這兩臺大規模更高能量更高束流強度的離子加速器，我們花了10多年的時間，自主研制，進行關鍵核心技術的攻關，建成了世界上首臺高功率的連續波質子束超導直線加速器，在國際上首次穩定加速了10個毫安的質子束，這是目前連續波的超導直線加速器——能夠加速質子束最高的束流強度的世界紀錄，把過去的世界紀錄提高了5倍多，實現了國際領先。

這么先進的技術到底有什么用？其中一個用途是用于發射阿爾法粒子的同位素的量產技術。發射阿爾法粒子的放射性同位素是非常難生產的，主要是用高能量、高強度的粒子加速器，我們現在發展出來的這個技術就可以用于這種同位素的制備，而這種發射阿爾法粒子的同位素可用于癌癥的治療。根據統計，大約有90%的癌癥患者，最后死于擴散的、轉移的、彌散的癌癥。如何治療這種癌癥？目前在國際上有一個非常熱也是非常重要的治療方法，叫阿爾法同位素靶向藥物治療，它可以做到精準有效放射治療。那么阿爾法靶向同位素藥物要進一步發展，一個技術上的挑戰就是如何大量生產這種能夠發射阿爾法粒子的同位素。

蘭州重離子加速器這類大科學裝置，主要用于前沿基礎的重大科學問題的研究，它可以從多個層面來研究物質的起源、存在的極限、基本結構和相互作用等規律。通過這樣的研究能夠發現新的規律，能夠產生新的技術、新的方法。這些新的技術、新的方法可以應用到我們社會生活的方方面面。基礎研究是從0到1、從無到有原始創新的源泉，大科學裝置是科技強國實力的一種體現，需要國家長期的支持和科學家不懈的努力才能更好地發揮作用。