從甘肅省蘭州市出發，一路向西北，穿越莊浪河，翻過烏鞘嶺。經過約4小時車程，科技日報記者來到了地處河西走廊東端的武威市。
夏日的陽光灑在戈壁灘上，放眼望去，一座宏偉的建筑出現在騰格里沙漠邊緣。這里就是武威重離子中心，我國首臺擁有自主知識產權的醫用重離子加速器裝置（以下簡稱“裝置”）就安放于此。
“這個裝置是目前全國最大的醫療設備之一，被譽為腫瘤放療領域的大國重器。建成以來，已完成1400余名腫瘤患者的治療。”甘肅省武威腫瘤醫院副院長、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系？這是記者向張雁山提出的第一個問題。
“重離子放療是目前國際上公認的先進放療手段，特別適合于不宜手術、對常規射線不敏感等難治腫瘤的治療。”張雁山說，“簡而言之，重離子放療就是用高速束流‘轟擊’腫瘤病灶。”
他解釋，重離子束具有獨特的物理學特性，其在抵達病灶前釋放能量較少，抵達病灶時，會瞬間形成名為“布拉格峰”的能量釋放峰，殺傷癌細胞。
“整個治療過程就像是對癌細胞實施精準的定點‘爆破’，既能強力照射病灶區域，又不會‘誤傷’沿途正常細胞，從而實現療效最大化。”張雁山形象地說，正因為擁有這種精準放射的特性，重離子束被稱為射線界的“天使”。
說話間，記者隨張雁山來到了裝置中央控制室。寬敞的大廳內，監控大屏實時顯示著裝置各部件的工作狀態。
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個治療終端的運行過程。
“從控制臺發出指令后，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動，形成重離子束。”張雁山介紹，“接下來，重離子束被引出，再經多輪加速轉變為高速束流，由治療終端射入人體。”
為了更直觀地解釋重離子束加速過程，張雁山帶記者來到裝置模型前。
“這就是離子源，負責生成重離子束。”張雁山指向一個形似啞鈴的部件說，“它下面這個淡綠色圓柱體，是回旋加速器；旁邊那個大回環，則是同步加速器。這兩個加速器次序運行，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
“能否輸出高速而穩定的重離子束流，是整個裝置成敗的關鍵。”張雁山告訴記者，如果束流速度與穩定性不夠，治療劑量的準確性就難以保證，療效就會受到影響。
為此，首先要做好預加速。重離子束從離子源出來后，進入加速的第一站——回旋加速器。回旋加速器被稱為“初速度”的提供者，利用磁場和電場的共同作用，讓重離子束在旋轉中反復加速。
走到回旋加速器跟前，記者看到，它宛若一個圓筒形糧倉，直徑約3米、高約2米。
“雖然個頭不大，但它能夠將重離子束加速到6.8兆電子伏特/核子，速度相當于光速的12%。”中國科學院近代物理研究所副所長楊建成介紹。
一般而言，預加速都采用直線加速器，這個加速器為什么是回旋的？
聽到記者的提問，楊建成言語中透出自豪：“這是重離子治療裝置的‘中國方案’！”
此前，國際上的醫用重離子加速器多采用直線加速器來給重離子束提供“初速度”。國外研發人員還為此申請了直線加速腔體結構專利。“為了規避專利壁壘，我們只能另辟‘賽道’，最終設計出回旋加速的方式。”楊建成解釋。
相比直線加速器，回旋加速器的優勢更為明顯。國際上具有相似功能的直線加速器長度一般為十幾米，而回旋加速器直徑只有3米左右，體積和所占空間都更小。
“最初是為了打破國外的技術壟斷，結果卻是‘柳暗花明又一村’。”楊建成笑道，“我們創新設計出回旋加速器與同步加速器相組合的獨特結構，有效縮短了整個加速器的長度。相應地，整個裝置的建造成本也更低，間接節約了患者的治療成本。”
加速度的“主力軍”
獲得“初速度”離開回旋加速器后，重離子束將進入裝置的核心部件——同步加速器。
“它是加速度的‘主力軍’。”楊建成介紹，“在這里，重離子束會被加速至400兆電子伏特/核子，速度高達光速的70%。”
俯瞰同步加速器，記者發現它如同一串絢麗多彩的手串，上面點綴著藍色、黃色和銀色的“珠子”。
“那個藍色的彎曲長方體是二極磁鐵，可以讓重離子束轉彎；黃色的方塊是四極磁鐵，能夠聚攏重離子束，防止其在加速時散開；銀色的管子是高頻腔，負責加速重離子束。”中國科學院近代物理研究所加速器技術中心副主任冒立軍手指同步加速器的各個構件一一介紹。
從模型上看，同步加速器不算大，實際上它卻是一個不折不扣的“大家伙”。這些“珠子”連在一起，圍成環形，周長足有56米，占地面積接近2畝。
正當記者感嘆其體量巨大時，楊建成卻說：“小型化是這臺同步加速器的突出特點。與德國同一級別加速器相比，其周長縮短了19米。裝置體積更小、功耗更低、占地面積更少，才更有利于在醫院推廣應用。”
二極磁鐵的使用數量，直接影響著加速器的周長與能耗。冒立軍說：“國外的同類裝備多采用16塊或12塊二極磁鐵，我國這臺同步加速器采用了完全不一樣的結構，只用了8塊二極磁鐵。”
為了保證裝置輸出的重離子束流穩定可靠，楊建成等人在這些磁鐵上下足了功夫。
“磁鐵參數要達到萬分之二的均勻度，差一分一毫都不行。”楊建成解釋，“一秒鐘，離子就會在同步加速器內跑幾百萬圈。如果精度達不到要求，離子每走一圈都會偏離一點，最終會因撞到真空管壁而丟失。”
經過多輪調試與驗證，2019年9月，這臺具有完全自主知識產權的醫用重離子加速器裝置——碳離子治療系統獲得注冊許可。這也意味著，我國成為全球第四個擁有自主研發重離子治療系統和臨床應用能力的國家。
“在不久前召開的全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會上，習近平總書記強調，‘進一步加大科技創新力度’‘讓科技更好造福人類’。這讓我們備受鼓舞。”楊建成向記者表示，“我們正在加快建設第二代醫用重離子加速器裝置，讓先進技術裝備更好惠及民生，造福更多患者！”
從甘肅省蘭州市出發，一路向西北，穿越莊浪河，翻過烏鞘嶺。經過約4小時車程，科技日報記者來到了地處河西走廊東端的武威市。
夏日的陽光灑在戈壁灘上，放眼望去，一座宏偉的建筑出現在騰格里沙漠邊緣。這里就是武威重離子中心，我國首臺擁有自主知識產權的醫用重離子加速器裝置（以下簡稱“裝置”）就安放于此。
“這個裝置是目前全國最大的醫療設備之一，被譽為腫瘤放療領域的大國重器。建成以來，已完成1400余名腫瘤患者的治療。”甘肅省武威腫瘤醫院副院長、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系？這是記者向張雁山提出的第一個問題。
“重離子放療是目前國際上公認的先進放療手段，特別適合于不宜手術、對常規射線不敏感等難治腫瘤的治療。”張雁山說，“簡而言之，重離子放療就是用高速束流‘轟擊’腫瘤病灶。”
他解釋，重離子束具有獨特的物理學特性，其在抵達病灶前釋放能量較少，抵達病灶時，會瞬間形成名為“布拉格峰”的能量釋放峰，殺傷癌細胞。
“整個治療過程就像是對癌細胞實施精準的定點‘爆破’，既能強力照射病灶區域，又不會‘誤傷’沿途正常細胞，從而實現療效最大化。”張雁山形象地說，正因為擁有這種精準放射的特性，重離子束被稱為射線界的“天使”。
說話間，記者隨張雁山來到了裝置中央控制室。寬敞的大廳內，監控大屏實時顯示著裝置各部件的工作狀態。
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個治療終端的運行過程。
“從控制臺發出指令后，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動，形成重離子束。”張雁山介紹，“接下來，重離子束被引出，再經多輪加速轉變為高速束流，由治療終端射入人體。”
為了更直觀地解釋重離子束加速過程，張雁山帶記者來到裝置模型前。
“這就是離子源，負責生成重離子束。”張雁山指向一個形似啞鈴的部件說，“它下面這個淡綠色圓柱體，是回旋加速器；旁邊那個大回環，則是同步加速器。這兩個加速器次序運行，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
“能否輸出高速而穩定的重離子束流，是整個裝置成敗的關鍵。”張雁山告訴記者，如果束流速度與穩定性不夠，治療劑量的準確性就難以保證，療效就會受到影響。
為此，首先要做好預加速。重離子束從離子源出來后，進入加速的第一站——回旋加速器。回旋加速器被稱為“初速度”的提供者，利用磁場和電場的共同作用，讓重離子束在旋轉中反復加速。
走到回旋加速器跟前，記者看到，它宛若一個圓筒形糧倉，直徑約3米、高約2米。
“雖然個頭不大，但它能夠將重離子束加速到6.8兆電子伏特/核子，速度相當于光速的12%。”中國科學院近代物理研究所副所長楊建成介紹。
一般而言，預加速都采用直線加速器，這個加速器為什么是回旋的？
聽到記者的提問，楊建成言語中透出自豪：“這是重離子治療裝置的‘中國方案’！”
此前，國際上的醫用重離子加速器多采用直線加速器來給重離子束提供“初速度”。國外研發人員還為此申請了直線加速腔體結構專利。“為了規避專利壁壘，我們只能另辟‘賽道’，最終設計出回旋加速的方式。”楊建成解釋。
相比直線加速器，回旋加速器的優勢更為明顯。國際上具有相似功能的直線加速器長度一般為十幾米，而回旋加速器直徑只有3米左右，體積和所占空間都更小。
“最初是為了打破國外的技術壟斷，結果卻是‘柳暗花明又一村’。”楊建成笑道，“我們創新設計出回旋加速器與同步加速器相組合的獨特結構，有效縮短了整個加速器的長度。相應地，整個裝置的建造成本也更低，間接節約了患者的治療成本。”
加速度的“主力軍”
獲得“初速度”離開回旋加速器后，重離子束將進入裝置的核心部件——同步加速器。
“它是加速度的‘主力軍’。”楊建成介紹，“在這里，重離子束會被加速至400兆電子伏特/核子，速度高達光速的70%。”
俯瞰同步加速器，記者發現它如同一串絢麗多彩的手串，上面點綴著藍色、黃色和銀色的“珠子”。
“那個藍色的彎曲長方體是二極磁鐵，可以讓重離子束轉彎；黃色的方塊是四極磁鐵，能夠聚攏重離子束，防止其在加速時散開；銀色的管子是高頻腔，負責加速重離子束。”中國科學院近代物理研究所加速器技術中心副主任冒立軍手指同步加速器的各個構件一一介紹。
從模型上看，同步加速器不算大，實際上它卻是一個不折不扣的“大家伙”。這些“珠子”連在一起，圍成環形，周長足有56米，占地面積接近2畝。
正當記者感嘆其體量巨大時，楊建成卻說：“小型化是這臺同步加速器的突出特點。與德國同一級別加速器相比，其周長縮短了19米。裝置體積更小、功耗更低、占地面積更少，才更有利于在醫院推廣應用。”
二極磁鐵的使用數量，直接影響著加速器的周長與能耗。冒立軍說：“國外的同類裝備多采用16塊或12塊二極磁鐵，我國這臺同步加速器采用了完全不一樣的結構，只用了8塊二極磁鐵。”
為了保證裝置輸出的重離子束流穩定可靠，楊建成等人在這些磁鐵上下足了功夫。
“磁鐵參數要達到萬分之二的均勻度，差一分一毫都不行。”楊建成解釋，“一秒鐘，離子就會在同步加速器內跑幾百萬圈。如果精度達不到要求，離子每走一圈都會偏離一點，最終會因撞到真空管壁而丟失。”
經過多輪調試與驗證，2019年9月，這臺具有完全自主知識產權的醫用重離子加速器裝置——碳離子治療系統獲得注冊許可。這也意味著，我國成為全球第四個擁有自主研發重離子治療系統和臨床應用能力的國家。
“在不久前召開的全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會上，習近平總書記強調，‘進一步加大科技創新力度’‘讓科技更好造福人類’。這讓我們備受鼓舞。”楊建成向記者表示，“我們正在加快建設第二代醫用重離子加速器裝置，讓先進技術裝備更好惠及民生，造福更多患者！”
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