近日，我國首臺自主知識產(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。”中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)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(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’。”近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。”趙紅衛(wèi)告訴科技日報(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。
趙紅衛(wèi)院士
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(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。”趙紅衛(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(jìn)步獎一等獎。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存環(huán)(CSR)建設(shè)被列為國家“九五”大科學(xué)工程之一。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(CSR)主環(huán)隧道南側(cè)一角。受訪者供圖
時(shí)任所長，后來成為中科院院士、中科院副院長的詹文龍擔(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，成為世界級的大型核物理實(shí)驗(yàn)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(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)和探測方法。”近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出質(zhì)量，是科學(xué)家們的不懈追求和夢想，原子核的質(zhì)量數(shù)據(jù)對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。”張玉虎說，“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存環(huán)，制造出了可以測量短壽命原子核質(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。”中國科學(xué)院原院長白春禮的題詞，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和評估工作，成為相關(guān)部門指定的檢測基地。
“上天的衛(wèi)星及其所攜帶的電子設(shè)備，不可避免會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。”近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)新的生動實(shí)踐。”全國政協(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，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(yùn)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(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(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。
親歷者說
楊建成：國際同行為我們的方案點(diǎn)贊
建造更高流強(qiáng)、更高能量的重離子加速器，被科研人員視作使命。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)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)介紹，“十二五”期間，近代物理所一方面提出面向核物理前沿基礎(chǔ)研究建設(shè)“強(qiáng)流重離子加速器裝置”(簡稱HIAF);另一方面，面向國家重大戰(zhàn)略需求，解決核能發(fā)展中遇到的核廢料安全處置問題，建設(shè)“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”(簡稱CiADS)。
“HIAF和CiADS是國家‘十二五’期間優(yōu)先安排的16項(xiàng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中的兩項(xiàng)，2018年底已在廣東惠州開工建設(shè)，將于2025年前后建成。”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——強(qiáng)流重離子加速器裝置總工程師、近代物理所加速器技術(shù)中心主任楊建成研究員說，和蘭州重離子加速器相比，強(qiáng)流重離子加速器的束流流強(qiáng)、束流能量都會提升一個(gè)量級。
楊建成研究院。趙衛(wèi)華 李忠明 攝
“HIAF的定位是建國際一流的重離子研究裝置，要達(dá)到一流、有自己的特色，就必須通過技術(shù)創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。”楊建成帶領(lǐng)科技日報(bào)記者來到實(shí)驗(yàn)室，指著面前的陶瓷內(nèi)襯薄壁真空室說，磁場快速上升會導(dǎo)致粒子丟失，為克服渦流效應(yīng)，要求真空管壁非常薄，一般小于0.3毫米，又要有一定的強(qiáng)度用以承受1×105Pa(帕)的大氣壓。
在相當(dāng)于一張紙厚度這樣薄的真空管中，要達(dá)到5×10-12mbar(毫巴)的極高真空度，挑戰(zhàn)之大超乎想象。國外采用的方案，一般就是在真空壁外釬焊一系列加強(qiáng)筋，從外面拉住薄壁真空室。但是，加強(qiáng)筋材料只有國外少數(shù)公司可以生產(chǎn)，而且加強(qiáng)筋的材料昂貴，同時(shí)面臨釬焊極高真空高溫烘烤脫落等技術(shù)難題。
難題橫在眼前，楊建成和團(tuán)隊(duì)并沒有采取國際現(xiàn)有方案，而是提出了創(chuàng)新解決方案：用一節(jié)一節(jié)高強(qiáng)度鍍金陶瓷環(huán)支撐不銹鋼真空室。僅有2—3毫米薄的陶瓷內(nèi)襯強(qiáng)度夠高、柔韌性也很好，不導(dǎo)電也不會產(chǎn)生渦流。這套創(chuàng)新方案不僅解決了極高真空薄壁真空室的難題，也大幅降低了大型加速器的成本造價(jià)。
“這一創(chuàng)新方案也受到了國際同行的高度評價(jià)，樣機(jī)研制成功以后，歐洲核子中心(CERN)的同事給我們發(fā)了一封郵件，建議將這項(xiàng)中國人研發(fā)的技術(shù)命名為‘中國龍’。”說到這里，楊建成開心地笑了。
HIAF建成后，能夠提供國際上流強(qiáng)最高的連續(xù)波低能重離子束流，將是合成新元素、探索“超重核穩(wěn)定島”最理想的實(shí)驗(yàn)場所。同時(shí)還可以提供國際上脈沖流強(qiáng)最高的重離子束，使HIAF成為國際上利用儲存環(huán)精確測量短壽命原子核質(zhì)量最高水平的代表。不僅如此，HIAF也是研究原子核存在極限、奇特原子核結(jié)構(gòu)、極端天體環(huán)境中的核過程，理解宇宙中重元素的起源等物質(zhì)科學(xué)前沿領(lǐng)域的理想平臺。
“我們‘十四五’的重點(diǎn)任務(wù)，就是要把這兩個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)好、運(yùn)行好。”在趙紅衛(wèi)看來，近代物理所近65年的發(fā)展，與以楊澄中、魏寶文和詹文龍三位科學(xué)家為代表的三代人緊密相連，“現(xiàn)在到了我們這些60年代生人發(fā)揮一些作用的時(shí)候了。”
大事記
1963年10月
1.5米回旋加速器安裝調(diào)整結(jié)束。
1988年12月
分離扇回旋加速器聯(lián)調(diào)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(jìn)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(yàn)收。
2018年12月23日
強(qiáng)流重離子加速器裝置HIAF項(xiàng)目開工建設(shè)，建設(shè)周期7年。
2019年12月
自行設(shè)計(jì)研制的國內(nèi)首臺連續(xù)波高電荷態(tài)強(qiáng)流重離子直線加速器與分離扇回旋加速器聯(lián)合調(diào)試。
2020年3月
我國首臺自主知識產(chǎn)權(quán)“碳離子治療系統(tǒng)”在武威投入臨床應(yīng)用。
