科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬
從甘肅省蘭州市出發(fā)，一路向西北，穿越莊浪河，翻過(guò)烏鞘嶺。經(jīng)過(guò)約4小時(shí)車程，科技日?qǐng)?bào)記者來(lái)到了地處河西走廊東端的武威市。
夏日的陽(yáng)光灑在戈壁灘上，放眼望去，一座宏偉的建筑出現(xiàn)在騰格里沙漠邊緣。這里就是武威重離子中心，我國(guó)首臺(tái)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器裝置（以下簡(jiǎn)稱“裝置”）就安放于此。
“這個(gè)裝置是目前全國(guó)最大的醫(yī)療設(shè)備之一，被譽(yù)為腫瘤放療領(lǐng)域的大國(guó)重器。建成以來(lái)，已完成1400余名腫瘤患者的治療。”甘肅省武威腫瘤醫(yī)院副院長(zhǎng)、武威重離子中心主任張雁山告訴記者。
射線界的“天使”
重離子和腫瘤治療有什么關(guān)系？這是記者向張雁山提出的第一個(gè)問(wèn)題。
“重離子放療是目前國(guó)際上公認(rèn)的先進(jìn)放療手段，特別適合于不宜手術(shù)、對(duì)常規(guī)射線不敏感等難治腫瘤的治療?！睆堁闵秸f(shuō)，“簡(jiǎn)而言之，重離子放療就是用高速束流‘轟擊’腫瘤病灶?！?/p>
他解釋，重離子束具有獨(dú)特的物理學(xué)特性，其在抵達(dá)病灶前釋放能量較少，抵達(dá)病灶時(shí)，會(huì)瞬間形成名為“布拉格峰”的能量釋放峰，殺傷癌細(xì)胞。
“整個(gè)治療過(guò)程就像是對(duì)癌細(xì)胞實(shí)施精準(zhǔn)的定點(diǎn)‘爆破’，既能強(qiáng)力照射病灶區(qū)域，又不會(huì)‘誤傷’沿途正常細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)療效最大化?！睆堁闵叫蜗蟮卣f(shuō)，正因?yàn)閾碛羞@種精準(zhǔn)放射的特性，重離子束被稱為射線界的“天使”。
說(shuō)話間，記者隨張雁山來(lái)到了裝置中央控制室。寬敞的大廳內(nèi)，監(jiān)控大屏實(shí)時(shí)顯示著裝置各部件的工作狀態(tài)。
張雁山指著大屏，向記者講解起裝置的主要部件——離子源、回旋加速器、同步加速器以及4個(gè)治療終端的運(yùn)行過(guò)程。
“從控制臺(tái)發(fā)出指令后，離子源將碳原子核外的電子剝離形成碳離子（俗稱‘重離子’），并讓它們以幾乎一致的速度和方向運(yùn)動(dòng)，形成重離子束?！睆堁闵浇榻B，“接下來(lái)，重離子束被引出，再經(jīng)多輪加速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偈?，由治療終端射入人體?！?/p>
為了更直觀地解釋重離子束加速過(guò)程，張雁山帶記者來(lái)到裝置模型前。
“這就是離子源，負(fù)責(zé)生成重離子束。”張雁山指向一個(gè)形似啞鈴的部件說(shuō)，“它下面這個(gè)淡綠色圓柱體，是回旋加速器；旁邊那個(gè)大回環(huán)，則是同步加速器。這兩個(gè)加速器次序運(yùn)行，最終將重離子束加速至滿足治療要求的高速束流。”
“初速度”的提供者
“能否輸出高速而穩(wěn)定的重離子束流，是整個(gè)裝置成敗的關(guān)鍵?！睆堁闵礁嬖V記者，如果束流速度與穩(wěn)定性不夠，治療劑量的準(zhǔn)確性就難以保證，療效就會(huì)受到影響。
為此，首先要做好預(yù)加速。重離子束從離子源出來(lái)后，進(jìn)入加速的第一站——回旋加速器?；匦铀倨鞅环Q為“初速度”的提供者，利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)的共同作用，讓重離子束在旋轉(zhuǎn)中反復(fù)加速。
走到回旋加速器跟前，記者看到，它宛若一個(gè)圓筒形糧倉(cāng)，直徑約3米、高約2米。
“雖然個(gè)頭不大，但它能夠?qū)⒅仉x子束加速到6.8兆電子伏特/核子，速度相當(dāng)于光速的12%?！敝袊?guó)科學(xué)院近代物理研究所副所長(zhǎng)楊建成介紹。
一般而言，預(yù)加速都采用直線加速器，這個(gè)加速器為什么是回旋的？
聽(tīng)到記者的提問(wèn)，楊建成言語(yǔ)中透出自豪：“這是重離子治療裝置的‘中國(guó)方案’！”
此前，國(guó)際上的醫(yī)用重離子加速器多采用直線加速器來(lái)給重離子束提供“初速度”。國(guó)外研發(fā)人員還為此申請(qǐng)了直線加速腔體結(jié)構(gòu)專利?！盀榱艘?guī)避專利壁壘，我們只能另辟‘賽道’，最終設(shè)計(jì)出回旋加速的方式?！睏罱ǔ山忉?。
相比直線加速器，回旋加速器的優(yōu)勢(shì)更為明顯。國(guó)際上具有相似功能的直線加速器長(zhǎng)度一般為十幾米，而回旋加速器直徑只有3米左右，體積和所占空間都更小。
“最初是為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，結(jié)果卻是‘柳暗花明又一村’?！睏罱ǔ尚Φ?，“我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)出回旋加速器與同步加速器相組合的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，有效縮短了整個(gè)加速器的長(zhǎng)度。相應(yīng)地，整個(gè)裝置的建造成本也更低，間接節(jié)約了患者的治療成本?！?/p>
加速度的“主力軍”
獲得“初速度”離開(kāi)回旋加速器后，重離子束將進(jìn)入裝置的核心部件——同步加速器。
“它是加速度的‘主力軍’。”楊建成介紹，“在這里，重離子束會(huì)被加速至400兆電子伏特/核子，速度高達(dá)光速的70%?！?/p>
俯瞰同步加速器，記者發(fā)現(xiàn)它如同一串絢麗多彩的手串，上面點(diǎn)綴著藍(lán)色、黃色和銀色的“珠子”。
“那個(gè)藍(lán)色的彎曲長(zhǎng)方體是二極磁鐵，可以讓重離子束轉(zhuǎn)彎；黃色的方塊是四極磁鐵，能夠聚攏重離子束，防止其在加速時(shí)散開(kāi)；銀色的管子是高頻腔，負(fù)責(zé)加速重離子束?！敝袊?guó)科學(xué)院近代物理研究所加速器技術(shù)中心副主任冒立軍手指同步加速器的各個(gè)構(gòu)件一一介紹。
從模型上看，同步加速器不算大，實(shí)際上它卻是一個(gè)不折不扣的“大家伙”。這些“珠子”連在一起，圍成環(huán)形，周長(zhǎng)足有56米，占地面積接近2畝。
正當(dāng)記者感嘆其體量巨大時(shí)，楊建成卻說(shuō)：“小型化是這臺(tái)同步加速器的突出特點(diǎn)。與德國(guó)同一級(jí)別加速器相比，其周長(zhǎng)縮短了19米。裝置體積更小、功耗更低、占地面積更少，才更有利于在醫(yī)院推廣應(yīng)用。”
二極磁鐵的使用數(shù)量，直接影響著加速器的周長(zhǎng)與能耗。冒立軍說(shuō)：“國(guó)外的同類裝備多采用16塊或12塊二極磁鐵，我國(guó)這臺(tái)同步加速器采用了完全不一樣的結(jié)構(gòu)，只用了8塊二極磁鐵?！?/p>
為了保證裝置輸出的重離子束流穩(wěn)定可靠，楊建成等人在這些磁鐵上下足了功夫。
“磁鐵參數(shù)要達(dá)到萬(wàn)分之二的均勻度，差一分一毫都不行?！睏罱ǔ山忉專耙幻腌?，離子就會(huì)在同步加速器內(nèi)跑幾百萬(wàn)圈。如果精度達(dá)不到要求，離子每走一圈都會(huì)偏離一點(diǎn)，最終會(huì)因撞到真空管壁而丟失?！?/p>
經(jīng)過(guò)多輪調(diào)試與驗(yàn)證，2019年9月，這臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用重離子加速器裝置——碳離子治療系統(tǒng)獲得注冊(cè)許可。這也意味著，我國(guó)成為全球第四個(gè)擁有自主研發(fā)重離子治療系統(tǒng)和臨床應(yīng)用能力的國(guó)家。
“在不久前召開(kāi)的全國(guó)科技大會(huì)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)、兩院院士大會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記強(qiáng)調(diào)，‘進(jìn)一步加大科技創(chuàng)新力度’‘讓科技更好造福人類’。這讓我們備受鼓舞?！睏罱ǔ上蛴浾弑硎?，“我們正在加快建設(shè)第二代醫(yī)用重離子加速器裝置，讓先進(jìn)技術(shù)裝備更好惠及民生，造福更多患者！”
