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【科技日報】遙遠的甘肅有一條“龍”
——探秘蘭州重離子加速器國家實(shí)驗室
《非誠勿擾2》中孫紅雷扮演的李香山，因腳上的“癌中之王”黑色素瘤選擇自殺。如果編劇知曉重離子治癌的功效，電影的結局可能重寫(xiě)。
“對肺癌、肝癌乃至醫學(xué)界最頭疼的黑色素瘤，重離子治療的局部控制率在80％以上。今年內，甘肅武威的重離子腫瘤治療中心將投入使用?！敝袊茖W(xué)院近代物理研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)中科院近物所）所長(cháng)肖國青說(shuō)，10年間，蘭州重離子加速器對213例腫瘤患者進(jìn)行臨床試驗研究，使我國成為繼美國、德國和日本之后世界上第四個(gè)掌握重離子治癌技術(shù)的國家。
如同蘭州的黃河和牛肉面，重離子加速器已成甘肅的名片。從新核素合成、核物理等前沿科學(xué)攻關(guān)，到治療癌癥、誘變育種等產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，重離子加速器的各種終端應用可謂“頂天立地”。
三代大科學(xué)裝置讓“巨龍”騰飛
身處鬧市之中，略顯陳舊的白色大建筑群散發(fā)出沉穩而淡然的氣息，科學(xué)界聲名顯赫的重離子加速器便藏身其中。
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，1.7米扇聚焦回旋加速器、大型分離扇回旋加速器、新建的冷卻儲存環(huán)主環(huán)和實(shí)驗環(huán)、放射性束流線(xiàn)共同組成了綿延的龍身，各種實(shí)驗終端應用是靈活的龍尾。
這些大塊頭既有“智慧”也有故事。
“重離子加速器選址蘭州，不僅是因為地處西北腹地比較安全，也為了給氫彈研制提供實(shí)驗數據?！?中科院近物所成果轉化與產(chǎn)業(yè)處項目主管梁偉說(shuō)，在周恩來(lái)總理“應在蘭州設一原子核科學(xué)研究點(diǎn)”的指示下，1957年，中科院近物所創(chuàng )始人楊澄中帶領(lǐng)首批科研人員從北京中關(guān)村西遷蘭州，擔負起建造重離子加速器的重任。
作為“一五”期間前蘇聯(lián)援建我國的156個(gè)重大項目之一，肖國青說(shuō)，1.5米經(jīng)典回旋加速器建設經(jīng)歷了三年自然災害以及前蘇聯(lián)政府毀合同、撤專(zhuān)家的困境。沒(méi)有計算機，就用手畫(huà)圖紙；沒(méi)有經(jīng)驗，就一遍遍做試驗。正是老一輩科學(xué)家的自力更生、傾力合作，回旋加速器才于1964年正式運行。
“1.7米的回旋加速器是在‘一五’基礎上建立，分離扇重離子加速器則是‘七五’的成果?！绷簜フf(shuō)，蘭州重離子加速器每個(gè)階段的建設成果，都依據國家重大需求而定。
1988年，中科院近物所建成了我國第一臺大型重離子研究裝置——蘭州重離子加速器，主要技術(shù)參數達到或超越設計指標，躋身上世紀80年代同類(lèi)加速器的國際先進(jìn)水平，并于1992年獲國家科技進(jìn)步獎一等獎。
科研總是追著(zhù)時(shí)代的腳步往前奔。進(jìn)入“九五”，蘭州重離子加速器迎來(lái)新任務(wù)：為滿(mǎn)足我國深入開(kāi)展重離子物理研究的需要，擴建多用途重離子冷卻儲存環(huán)?！白灾髟O計建造、規模最大、能量最高、可加速全離子，蜿蜒160多米的重離子加速器冷卻儲存環(huán)，與德國的重離子冷卻儲存環(huán)同屬世界級的大型核物理實(shí)驗裝置?！毙嗾f(shuō)。
半個(gè)世紀以來(lái)我國三代大科學(xué)裝置研究成果，讓這一巨龍在國際科學(xué)界聲名鵲起。
重離子加速器很“全能”
“我們習慣叫蘭州重離子加速器，其實(shí)，它是國際上為數不多的幾臺全離子加速器?！毙嗾f(shuō)，其加速的離子涵蓋了元素周期表中的92種元素，實(shí)現了從原子質(zhì)量最輕的“氫”到最重的“鈾”的“全離子加速”，而且自然界不存在的、新合成的離子也能加速。
那么，重離子是怎么被加速的？帶著(zhù)滿(mǎn)腦子的術(shù)語(yǔ)，記者在1∶50的重離子加速器模型前有了初步認識：它就像一列車(chē)廂顏色各異的火車(chē)，盤(pán)踞在復雜的回旋軌道上，重離子束就循著(zhù)這樣的軌道，穿梭于密閉的“車(chē)廂”間，一次次被加速。
走進(jìn)重離子加速器實(shí)驗大樓地下，記者對巨龍的龍身——加速系統和傳輸系統有了直觀(guān)了解。在設備和管道間穿行，一個(gè)個(gè)碩大的黃色、藍色巨塊被管道所連接，周?chē)歉鞣N線(xiàn)圈和監測設備。
眼前重達30噸的藍色巨塊是二級磁鐵，它的作用是讓直線(xiàn)快速穿行的離子“拐彎”。離子通過(guò)偏轉磁鐵而改變運動(dòng)方向，比如偏轉22.5度，讓16臺這種磁鐵沿同一方向偏轉，就能使這些離子偏轉360度，這意味著(zhù)可以回過(guò)頭來(lái)一而再、再而三的不斷轟擊目標。
重離子經(jīng)過(guò)加速后產(chǎn)生的能量有多少？“如果重離子達到每核子400兆電子伏特，就可以達到30厘米的穿透力，能治療人體深層的腫瘤?！绷簜ジ嬖V記者，而該加速器產(chǎn)生的重離子已達每核子1000兆電子伏特，穿透力在1米以上。
“從1.7米的回旋加速器到重離子冷卻儲存環(huán)，我國重離子運行的速度從最初的1％光速加速至約90％的光速，躋身國際先進(jìn)行列?！毙嘁灾仉x子加速器冷卻儲存環(huán)為例說(shuō)，它能讓上億個(gè)重離子同步運行，自主研制率逾90％，各種元器件八成是甘肅造，在電子冷卻技術(shù)、高頻技術(shù)、超高真空技術(shù)等方面收獲頗豐。
值得關(guān)注的是，重離子加速器冷卻儲存環(huán)在高精度測量短壽命核素領(lǐng)域取得重大突破，在世界上率先達到10-7量級的相對測量精度，使我國重離子加速器技術(shù)水平及重離子物理實(shí)驗研究能力闖入世界前列。
“10-7量級的精度，相當于在一架空客A380上可分辨出一個(gè)U盤(pán)的質(zhì)量?！毙嗾f(shuō)，“接下來(lái)的目標，是讓重離子運行得更穩定?！?/p>
原子核數據中國說(shuō)了算
就在今年春節假期，蘭州重離子加速器完成了新核素合成和研究的一項實(shí)驗工作。至此，蘭州重離子研究裝置已合成鑒別20多種新核素，占百年來(lái)人工合成新核素總數的1％。
核素是指具有一定數目質(zhì)子和中子的一種原子核?？茖W(xué)家把各種不同的原子核統稱(chēng)為核素，新原子核的合成和研究，將進(jìn)一步豐富和深化人類(lèi)對原子核內部結構和運動(dòng)規律的認識，推動(dòng)與之相關(guān)的核物理和核天體物理的發(fā)展。
核理論家們預言核素約有8000多個(gè)，目前自然界存在的穩定的原子核只有280多種，科學(xué)家們利用加速器人工合成3000多種不穩定的放射性核素。
要知道核桃的內部結構，就必須砸開(kāi)核桃才能知曉，這也是進(jìn)行原子核試驗的原理?！坝媚芰枯^高的粒子（即彈核）來(lái)轟擊原子核（即靶核），使靶核變成另外一種原子核。而這個(gè)如同‘打靶’一樣的過(guò)程，就被稱(chēng)為‘核反應’”。肖國青說(shuō),利用重離子加速器取得一系列基礎科學(xué)成果，比如合成研究20多種新核素并研究其衰變性質(zhì)，首次測量21種短壽命原子核質(zhì)量。
由于在合成新核素領(lǐng)域中取得重大進(jìn)展，國際原子核的質(zhì)量評估發(fā)布權從法國核譜質(zhì)譜中心轉移至蘭州重離子加速器國家實(shí)驗室。2013年起，國際原子質(zhì)量評估工作由中科院近物所承擔，終結了國際原子質(zhì)量評估工作多年來(lái)為法國核譜質(zhì)譜中心“壟斷”的歷史。
“穿甲彈”治癌分“敵我”
如今，國家累積投資重離子加速器逾10億元。重離子加速器每年還需1.1億元的費用運行和維護更新。也就是說(shuō)，重離子加速器每開(kāi)機1小時(shí)，就要花2萬(wàn)多元。
這一耗時(shí)長(cháng)、投入大的大科學(xué)裝置，對老百姓而言意義何在？
“一提起重離子加速器，蘭州人第一反應是治療癌癥。對肺癌、肝癌乃至醫學(xué)界最頭疼的黑色素瘤，重離子治療的局部控制率在80％以上?！闭f(shuō)到成果落地，肖國青直起了身子，“我們有深層和淺層治療兩個(gè)臨床治療試驗研究終端，與醫院合作利用重離子進(jìn)行了臨床治療試驗前期研究?！?/p>
2006年11月，中科院近物所的重離子治療裝置迎來(lái)首個(gè)病例，對癌癥患者皮下深度約為1.5厘米的腫瘤進(jìn)行試驗治療，10天的療程后，腫瘤已縮小近一半。
“雖然重離子也是一種射線(xiàn)，但與當前醫院里的X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)相比，對人體副作用小，患者的生存質(zhì)量也更高?！毙嘟忉屨f(shuō)，重離子只需用1/3的X射線(xiàn)照射時(shí)間就可殺死癌細胞。通過(guò)對患者進(jìn)行CT、核磁共振等定位，再制訂周密的治療計劃，重離子束深層治癌要治療10到12次，每次幾分鐘到十幾分鐘，遠低于放化療的一個(gè)多月。
重離子治癌的最大優(yōu)勢來(lái)源于倒轉的深度劑量分布。常規射線(xiàn)會(huì )隨著(zhù)深度增加呈現指數衰減的形式，而重離子束進(jìn)入身體后能量損失小，僅在最終停下的位置才會(huì )釋放大部分能量，形成尖銳的劑量峰“布拉格峰”。
“常規射線(xiàn)呈現拋物線(xiàn)狀，隨著(zhù)射程增大能量會(huì )遞減，到達病灶時(shí)劑量已降低，且在殺死、殺傷癌細胞的同時(shí)，也會(huì )誤傷正常細胞?！笨吹接浾哂行┎唤?，梁偉又拿出電腦及時(shí)科普，“重離子束抵達病灶前能量一直處于低谷，聚集的能量在射程的末端，抵達病灶時(shí)，分清‘敵我’的‘穿甲彈’會(huì )精準地痛擊腫瘤，而且對周?chē)＝M織和敏感器官的副作用小得多?！?/p>
當前，我國每年新發(fā)癌癥病例約320萬(wàn)，因癌癥死亡約250萬(wàn)。重離子加速器每年可運行230天，約為5500個(gè)小時(shí),每臺每年可治療1000至2000多個(gè)病人。面對龐大基數的新發(fā)癌癥患者，肖國青認為“再增加100臺也不夠用?！?/p>
“蘭州重離子治癌設備，在造價(jià)上與國外相比優(yōu)勢明顯。德國產(chǎn)的重離子治癌設備報價(jià)在15億元左右，而中國造的設備只需約6億元?！毙嗤嘎?，甘肅武威的重離子腫瘤治療中心正在安裝調試，爭取年內投入運行，預計一位患者治療費用在20萬(wàn)元以?xún)取?/p>
讓“綠草變紅花”
除去重離子治療腫瘤的基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，蘭州重離子加速器還建成了單粒子效應地面模擬實(shí)驗平臺，為衛星和飛船上的航天半導體器件抗輻射性能及其加固提供了關(guān)鍵的測試平臺，為航天器的安全運行提供重要的技術(shù)保證；通過(guò)重離子輻照技術(shù)，還研制成功多種新型材料……
讓近物所人更為自豪的是，在廣袤的大西北，利用重離子誘變技術(shù)培育出春小麥、甜高粱、當歸、瓜果、花卉等作物的優(yōu)良新品種，以及微生物新菌種和新藥。
綠草變紅花，在人們印象中是童話(huà)般的美好。重離子加速器國家實(shí)驗室在生物領(lǐng)域的研究，卻讓其從夢(mèng)想走進(jìn)現實(shí)。
2011年8月，中科院近物所科研人員利用蘭州重離子加速器提供的碳離子束，對白花紫露草進(jìn)行了誘變育種，再三篩選后培育出穩定的白花紫露草色素突變體——“冬花夏葉”，從而實(shí)現了“綠草變紅花”。
“‘新品種’白花紫露草，具有莖桿紫色、葉片會(huì )變?yōu)榉奂t色等特點(diǎn)，粉色斑點(diǎn)顏色的深淺與面積大小，還會(huì )隨溫度發(fā)生變化?！毙嗾f(shuō)，其性狀穩定、觀(guān)賞價(jià)值也明顯提高，經(jīng)科技成果鑒定達到國際先進(jìn)水平。
花卉在經(jīng)受重離子輻照誘變時(shí)會(huì )為生活添彩，對農作物的安全性會(huì )產(chǎn)生影響嗎？肖國青坦言，輻射誘變育種不引入外來(lái)基因，當輻照劑量處于安全范疇時(shí)，不會(huì )引起毒理學(xué)的危害，公眾無(wú)需擔憂(yōu)。
“我們和張掖市農科院合作選育出9個(gè)春小麥穩定突變新品系及‘隴輻2號’小麥新品種，已成為河西走廊的主栽品種，取得社會(huì )經(jīng)濟效益近8億元?！毙喾Q(chēng)，培育的早熟甜高粱新品種，形成飼料、保健酒和酒精、糖和酵母的產(chǎn)業(yè)鏈。而對玉米、馬鈴薯、新疆棉花等作物的輻照，獲得相應的有益突變株系，目前正在選育新品系?！ ?/p>
?。ㄔd于《科技日報》 2015-04-20 01版）
