(摘自中科院近代物理研究所)
重離子物理——原子核物理發(fā)展的新階段
原子核物理是研究核的性質(zhì)、結構、運動(dòng)規律及其相互作用的一門(mén)學(xué)問(wèn)。原子核的尺度為10-14米數量級，比它大一些的原子、分子是原子物理、分子物理的研究對象，組成原子核的基本粒子是高能物理的研究對象。一百多年來(lái)，原子核物理的基礎和應用研究取得了輝煌的成就，從20世紀40年代起人類(lèi)就進(jìn)入了原子能時(shí)代。
人們研究原子核的一種有效手段是用能量較高的粒子（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，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為“核反應”，就象要知道核桃的內部結構，得用錘子敲開(kāi)核桃一樣。由于靶核帶正電，而入射粒子大多也帶正電，因此入射粒子必須具有一定能量才能克服庫侖斥力打到靶核上發(fā)生核反應，利用各種探測器探測核反應產(chǎn)物來(lái)研究原子核的內部結構及其運動(dòng)和變化的規律。最初，研究原子核用的是輕粒子，比如質(zhì)子、氘、天然放射性物質(zhì)放出的α射線(xiàn)等。為了增加入射粒子的種類(lèi)，提高其能量，粒子加速器應運而生。加速器就是利用電磁場(chǎng)提高帶電粒子能量的裝置。為滿(mǎn)足研究發(fā)展的需要，人們研制了技術(shù)指標（加速粒子的種類(lèi)、能量、束流強度和品質(zhì)等）越來(lái)越先進(jìn)的各種結構的加速器。核物理發(fā)展的歷史表明，加速器是研究原子核的利器，研究原子核離不開(kāi)加速器，加速器的發(fā)展促進(jìn)了核物理研究。
1960年代以來(lái)，隨著(zhù)重離子加速器、核探測技術(shù)和數據獲取及處理技術(shù)的發(fā)展，國際原子核物理開(kāi)拓了一個(gè)蓬勃發(fā)展的新領(lǐng)域——重離子物理。在相關(guān)交*學(xué)科，如原子物理、分子物理、輻照材料、輻射生物及醫學(xué)、核天體物理等領(lǐng)域，重離子束亦顯示出日益重要的應用前景。
當原子失去一個(gè)、多個(gè)或全部核外電子時(shí)就變?yōu)殡x子，元素周期表上3號元素鋰及其以上元素的原子失去一些核外電子時(shí)就變成重離子，重離子就是質(zhì)量較重且帶正電的離子。用重離子加速器加速的重離子束來(lái)研究原子核，就形成了重離子物理。如果說(shuō)，入射的輕粒子象“子彈”的話(huà)，那么重離子就是重鎊“炮彈”。用重離子重鎊“炮彈”轟擊原子核比輕粒子引起的核反應能產(chǎn)生更多的核信息。極而言之，用最重的鈾離子轟擊鈾靶的核反應產(chǎn)物可達上千種，這就極大地豐富了核物理研究的內容。進(jìn)入1960年代后，國際上興起建造大型重離子加速器的熱潮——由改建到新建，由加速部分離子到加速直到鈾的全離子，由低能、中能進(jìn)而到高能，發(fā)展非常迅速。
為了開(kāi)展我國的重離子物理及應用研究，中科院近代物理研究所在上世紀七十年代初將原1.5米回旋加速器改造成能加速碳、氮、氧離子的重離子加速器，在我國率先開(kāi)展了低能重離子物理及其應用研究。1988年12月，近物所負責設計建造的蘭州重離子加速器(HIRFL)建成出束，成為我國能量最高的中能重離子研究裝置。HIRFL由改建的注入器——磁極直徑為1.7米的扇形聚焦回旋加速器、新建的主加速器——能量常數為450的大型分離扇型回旋加速器、前后束流輸運線(xiàn)、8個(gè)實(shí)驗終端、數據獲取及處理系統等組成，主要技術(shù)指標達到國際先進(jìn)水平，用以開(kāi)展了遠離穩定線(xiàn)新核素合成和研究，中低能重離子碰撞和熱核性質(zhì)研究，重離子束在材料科學(xué)、生物技術(shù)等方面的應用研究，取得了以新核素合成、重離子淺層治癌為代表的一系列重要成果，使我國進(jìn)入國際重離子物理研究的先進(jìn)行列。
1991年8月，原國家計委批準成立蘭州重離子加速器國家實(shí)驗室，向國內外開(kāi)放。迄今，HIRFL已經(jīng)為一百多個(gè)國內外用戶(hù)提供了實(shí)驗條件。國家實(shí)驗室與一些大學(xué)、科研單位、醫療單位合作，成立了原子核理論中心和多個(gè)實(shí)驗研究小組，開(kāi)展了多學(xué)科合作研究與學(xué)術(shù)交流，培養了大批研究人才。
作為HIRFL的續建項目，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)國家重大科學(xué)工程于2007年全面優(yōu)質(zhì)建成，2008年7月通過(guò)國家驗收并正式投入運行。CSR由主環(huán)、實(shí)驗環(huán)、放射性束分離器、實(shí)驗探測裝置等主要部分組成，具有把質(zhì)子到鈾的全離子加速到中高能的能力，是一個(gè)集累積、冷卻、加速、儲存、內外靶實(shí)驗及高分辨測量于一體的多功能實(shí)驗裝置。CSR在技術(shù)上實(shí)現了諸多方面的創(chuàng )新和突破，性能指標達到國際先進(jìn)水平，是我國高科技領(lǐng)域取得的又一重大成果。CSR建成后，為重離子核物理、放射性束物理、高離化態(tài)原子物理、高能量密度物理等基礎研究和重離子束在航天、材料、醫學(xué)、生物等領(lǐng)域的應用研究取得重要突破創(chuàng )造了先進(jìn)的實(shí)驗條件，很快取得了短壽命核質(zhì)量精確測量、重離子臨床治療深層腫瘤等重要成果。
超重新元素合成是當前重離子物理的一個(gè)熱點(diǎn)
重離子物理的一個(gè)前沿領(lǐng)域是超重新元素的合成和研究，這是具有原始創(chuàng )新意義的重大基礎性研究課題。
核素就是原子核，每種元素及其同位素的原子核通稱(chēng)核素。大家知道，原子核是由質(zhì)子和中子組成的，那么，質(zhì)子和中子是否可以組成無(wú)窮多種的原子核呢? 回答是否定的，目前，核理論家們預言最多可以組成七八千種核素。現在，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了2200多種不穩定的放射性核素。人們通常采用融合裂變反應來(lái)合成新核素，具體過(guò)程是，按照欲合成的目標核（新核素）設計實(shí)驗，確定反應幾率較大的彈靶系統，用選定的重離子“炮彈”轟擊重靶，當彈核和靶核發(fā)生質(zhì)心碰撞時(shí)，會(huì )融合成一個(gè)極不穩定的較重的原子核并隨即發(fā)生裂變，經(jīng)一次或多次衰變后成為穩定核。在其衰變過(guò)程中，通過(guò)鑒別確認目標核的存在并精細測定其壽命及衰變性質(zhì)，即可確認合成了一種新核素。在有些情況下，一次實(shí)驗可以合成和鑒別多種新核素。
1960年代，核理論家們根據原子核殼層結構的理論模型，預言在質(zhì)子數為縱坐標、中子數為橫坐標的核素圖上，質(zhì)子數為114～126、中子數為 184的附近存在一片壽命較長(cháng)的核素，這就是超重元素穩定島。從此，超重核即103號以上元素的合成及鑒別成為研究熱點(diǎn)。美、俄、德、日等科技發(fā)達國家的一些著(zhù)名實(shí)驗室，一直以巨大的熱情進(jìn)行超重新元素合成的探索性研究。這是因為超重元素的合成關(guān)系到一系列重大的基本科學(xué)問(wèn)題，例如檢驗原子核殼層模型，元素的存在是否有上限，它們的壽命有多長(cháng)，穩定性如何，超重元素核外電子如何排列，其化學(xué)性質(zhì)是否符合元素周期表的外推？等等。超重新核素對化學(xué)家來(lái)說(shuō)將有新的化合物產(chǎn)生，對材料學(xué)研究將打開(kāi)新材料的大門(mén)，對原子物理學(xué)家預示著(zhù)有新原子的產(chǎn)生，對工程師來(lái)說(shuō)可能有新燃料出現。超重元素的合成是研究原子核質(zhì)量上限的唯一途徑，具有極大的技術(shù)難度，不僅具有重大的科學(xué)意義，而且也是衡量一個(gè)國家科學(xué)水平的重要標志。幾十年來(lái)，在該領(lǐng)域不斷取得重要進(jìn)展，特別是近十年更是突飛猛進(jìn)，不但合成了110、111和112號元素，而且將超重元素的合成推進(jìn)到了113號、114號、115號和116號元素，近來(lái)又先后合成了118號、117號超重新元素。這些重大的科學(xué)成果不但在核物理學(xué)界，而且在整個(gè)科學(xué)界都產(chǎn)生了巨大的影響，同時(shí)也使得超重新元素的合成再度成為國際上具有重大挑戰性的研究熱點(diǎn)。
1992年以來(lái)，近物所在新核素合成與鑒別以及高自旋態(tài)核結構研究方面取得一些重要成果，初步具備了開(kāi)展超重元素合成及研究的能力。近物所在重質(zhì)量豐中子區等5個(gè)不同核區，一共合成和鑒別了25種新核素并研究了其衰變性質(zhì)，占百年來(lái)人工合成新核素總數的1％，特別是其中包括259Db(Z=105) 和265Bh(Z=107)兩種超重新核素，使我國新核素合成研究進(jìn)入了超重區。在中重核區近質(zhì)子滴線(xiàn)核性質(zhì)研究方面，利用質(zhì)子-γ符合技術(shù)，觀(guān)測了22 種核的β緩發(fā)質(zhì)子衰變，首次建立了15種近滴線(xiàn)核的EC/β+衰變綱圖。在高自旋態(tài)核結構研究方面，建立了14種核的高自旋態(tài)能級綱圖，擴展了其它18種核的高自旋態(tài)能級綱圖。只要我們將理論與實(shí)驗結合，在理論上發(fā)展較為完整的理論模型，更好地預言有利于超重元素合成的反應系統、轟擊能量及反應截面（幾率），在實(shí)驗上總結國外實(shí)驗設備的優(yōu)點(diǎn)，并參考理論預言的超重元素的壽命和衰變模式，建立一套獨具特色的先進(jìn)的用于超重核素分離的譜儀和一套鑒別超重新元素的探測設備，我國極有可能在超重新元素的合成和研究工作中取得重大突破。
放射性束物理——原子核物理發(fā)展新的里程碑
1980年代中期以來(lái)，美、法、德、日等國實(shí)現了放射性核束的產(chǎn)生和應用，開(kāi)辟了放射性束物理這一新的前沿領(lǐng)域，發(fā)現了一批中子暈核、質(zhì)子暈核和新的核衰變模式，對傳統的原子核殼層結構理論模型的普適性提出了疑問(wèn)，拓廣和深化了核物理研究的領(lǐng)域和內容，成為核物理發(fā)展的又一個(gè)里程碑。
什么是放射性束物理呢？我們知道，重離子加速器通常只能加速穩定核或壽命很長(cháng)的放射性核，用這種初級離子束打靶時(shí)，會(huì )發(fā)生各種核反應，產(chǎn)生大量的次級產(chǎn)物，這些次級產(chǎn)物大多具有放射性，因而稱(chēng)作放射性核束。放射性核束的產(chǎn)生有幾種不同的方法。如果初級束的能量足夠高，會(huì )與靶核發(fā)生彈核碎裂反應，我們通過(guò)復雜的分離和鑒別技術(shù)，選擇其中能量較高、強度（單位時(shí)間、單位面積上通過(guò)的離子數）較大的次級放射性核束再來(lái)打靶做實(shí)驗研究，就形成了放射性束物理。以碳離子為例，加速器只能加速穩定的碳－12（6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子組成）離子，而用重“炮彈”打重靶，產(chǎn)生的次級放射性束可以有碳的各種放射性同位素的離子，如豐（多）中子的碳－13、14、15、……，缺中子的碳－11、10、9、……這就使“炮彈”的種類(lèi)大大增加了。放射性束物理的發(fā)展非常迅速，國際上凡有大中型重離子加速器的實(shí)驗室都改建或新建了放射性束物理研究裝置，開(kāi)展了放射性束物理研究，發(fā)現了原子核一系列全新的物理現象，如存在中子暈、中子皮、質(zhì)子暈、質(zhì)子皮等奇異結構及與之相聯(lián)系的新的運動(dòng)規律，期望由這種核物質(zhì)的奇異結構得到更具普適性的核結構模型；用放射性核束合成和鑒別了幾百種新核素，從而使新核素的合成及研究深入到一個(gè)新的層次，用其合成和研究超重新元素成為核物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)；可高精度測定一些同位素尚未被測定的質(zhì)量等基本核參數，使各種原子模型面臨前所未有的檢驗；等等。
為了不失時(shí)機地開(kāi)展我國的放射性束物理研究，近物所在蘭州重離子加速器上及時(shí)開(kāi)展預先研究之后，僅用了20個(gè)月的時(shí)間，就高質(zhì)量地于1997年7月建成了一條中能重離子放射性束流線(xiàn)（RIBLLI）。它由放射性核束的產(chǎn)生、分離、鑒別、聚焦系統和核反應靶室等組成，全長(cháng)35米。其設計集中了國際上當時(shí)已有的4臺放射性束物理研究裝置的優(yōu)點(diǎn)，采用了創(chuàng )新的結構設計，極大地提高了對放射性束的接收能力和分辨能力，是一臺具有國際先進(jìn)水平的放射性束物理研究裝置，不僅能產(chǎn)生多種短壽命放射性束，而且還能進(jìn)行有相當高精度的短壽命放射性束物理實(shí)驗。近物所在RIBLLI上發(fā)現了一批重要的中子皮核、中子暈核和質(zhì)子暈核，合成和研究了質(zhì)子滴線(xiàn)區核素磷－25。2003年日本理化學(xué)研究所（RIKEN）在RIBLLI上完成了兩輪中能放射性束物理實(shí)驗，獲得一些重要的實(shí)驗結果。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)的科學(xué)意義
1990年代初，隨著(zhù)國際重離子物理特別是放射性束物理的發(fā)展，近物所經(jīng)過(guò)廣泛調研，提出了在蘭州重離子加速器上續建冷卻儲存環(huán)（HIRFL- CSR）的方案，并經(jīng)過(guò)多次論證和優(yōu)化。這個(gè)方案，將放射性核束與高品質(zhì)穩定核束技術(shù)相結合，將重離子束能量提高到高能低端，在總體設計上確保了CSR在未來(lái)一二十年的國際先進(jìn)性。
“儲存”是什么意思呢？簡(jiǎn)而言之，在有儲存環(huán)加速器之前的加速器加速的離子（重離子、α粒子和質(zhì)子）打靶都是“一次性”的，即與靶核發(fā)生核反應，研究人員通過(guò)探測反應產(chǎn)物來(lái)研究原子核；或者入射離子湮沒(méi)在靶子里，用以研究新材料、培育作物優(yōu)良新品種，等等。如果我們用的是很薄的氣體靶，入射離子打靶之后，有些離子的形態(tài)即能量、方向基本上沒(méi)有什么變化，讓這些離子通過(guò)偏轉磁鐵改變運動(dòng)方向，比如偏轉22.5○，那么，16臺這種磁鐵沿同一方向偏轉，就可以使這些離子偏轉360○，即可以回過(guò)頭來(lái)第二次、第三次、……打靶。這樣循環(huán)往復，每秒鐘可以打靶幾百萬(wàn)次、上千萬(wàn)次，相當于把離子“儲存”在這種環(huán)形加速器的真空管道當中了，達到了提高實(shí)驗亮度的目的。當然，這些離子是有一定儲存時(shí)間的，由于各種原因，它會(huì )逐漸損失一部分，我們可以每過(guò)一段時(shí)間重新注入補充束流。這就是“儲存”最基本的概念。
“冷卻”就是在環(huán)形加速器的某個(gè)直線(xiàn)段中，引入一束能量非常單一、準直得非常好的電子束，我們調節電子束的速度，使其與原來(lái)在真空管道中運行的重離子束的速度相等，這時(shí)電子與重離子相對靜止，相當于重離子處在與其同方向同速度的電子云霧之中一起運動(dòng)，通過(guò)近距離的庫侖相互作用，電子吸收了重離子的橫向動(dòng)量，同時(shí)壓縮了重離子束團的縱向長(cháng)度。從熱力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)講，相當于溫度很低的電子把溫度很高的重離子束冷卻了，使其動(dòng)量分散大大降低，占據的相空間變小，從而可以騰出空間儲存更多的重離子束團。另外，在儲存環(huán)中還可以利用高頻系統將重離子進(jìn)一步加速，即在兩個(gè)電極間施加交變的高頻電壓，同步改變高頻頻率，使其與離子在儲存環(huán)內的回旋頻率相等，從而使得儲存環(huán)內的離子每經(jīng)過(guò)一次電極就獲得一次加速。總之，通過(guò)重離子冷卻儲存環(huán)可以進(jìn)一步提高重離子束的能量、束流強度和品質(zhì)。以上是重離子冷卻儲存環(huán)最基本的工作原理，而實(shí)際所涉及的技術(shù)是相當復雜的。
蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（HIRFL-CSR）作為國家“九五”重大科學(xué)工程，2007年建成并投入運行，2008年7月通過(guò)國家驗收。CSR 由主環(huán)CSRm、實(shí)驗環(huán)CSRe、放射性束分離器（RIBLLⅡ）、實(shí)驗探測裝置等主要部分組成，其超高真空束流管道總長(cháng)約500米、總重1430噸的各類(lèi)高精度電磁鐵220多臺、大功率特殊電源近300臺，是一個(gè)集累積、冷卻、加速、儲存、內靶實(shí)驗及高分辨質(zhì)量測量于一體的大型多功能實(shí)驗裝置，可提供質(zhì)子到鈾、單核子能量直到1000兆電子伏量級的重離子束，技術(shù)指標達到國際先進(jìn)水平。HIRFL-CSR的建成，是我國高科技領(lǐng)域的一項重大成果，成為繼德國GSI之后國際上又一個(gè)大型重離子冷卻儲存環(huán)裝置。
在工程建設中，科技人員開(kāi)拓創(chuàng )新、奮力攻關(guān)，掌握了全部核心技術(shù)，自主研制的設備達到80%以上，高質(zhì)量完成了設備安裝和聯(lián)合調束；實(shí)現了多項創(chuàng )新和突破：建成獨特的級聯(lián)回旋加速器和雙冷卻儲存環(huán)的耦合系統，創(chuàng )造性地實(shí)現了變諧波同步加速，大幅度提高了重離子束的能量、流強和品質(zhì)，創(chuàng )造了國際同類(lèi)加速器多種典型重離子束流強度的最高記錄；研制成功能產(chǎn)生“空心”電子束的新一代電子冷卻裝置、大功率高精度電磁鐵、納秒量級大功率Kicker電源等特殊電源、大型10-12毫巴超高真空系統、高性能網(wǎng)絡(luò )數字化控制系統等關(guān)鍵設備，為勝利建成CSR奠定了堅實(shí)的基礎。
HIRFL-CSR的建成，拓寬了HIRFL的研究領(lǐng)域，形成了一個(gè)以重離子物理為核心的學(xué)科群，既可開(kāi)展對微觀(guān)世界的強子、原子核、原子、分子、團簇，到宏觀(guān)世界的等離子體、固體、生物體、天體進(jìn)行深入認知的基礎研究，又可開(kāi)展能源、材料、航天、生物、醫學(xué)等領(lǐng)域的應用基礎研究和應用研究，提高了我國相關(guān)科技領(lǐng)域的自主創(chuàng )新能力。CSR投入運行后，其建設效益迅速顯現，近物所在等時(shí)性模式運行的實(shí)驗環(huán)上進(jìn)行的短壽命核質(zhì)量測量實(shí)驗，精度達到 10-6量級的國際先進(jìn)水平，國際原子質(zhì)量評估中心的工作將逐步移交到這里；經(jīng)過(guò)精心調試，主環(huán)實(shí)現了高能重離子束的主動(dòng)變能量慢引出，用以臨床試驗治療深層腫瘤取得成功，使我國成為世界上第四個(gè)實(shí)現重離子治癌的國家。
HIRFL-CSR工程培養和鍛煉了一支能打硬仗的優(yōu)秀青年創(chuàng )新團隊，創(chuàng )造了極高的性能造價(jià)比，提高了我國特別是西部相關(guān)裝備制造業(yè)的技術(shù)水平。 CSR工程獲得了國內外專(zhuān)家的高度肯定，這支科技隊伍還被選拔為建在德國的重大國際合作項目——反質(zhì)子與離子加速器（FAIR）大科學(xué)工程重要的合作伙伴，承擔了大批關(guān)鍵設備的研制任務(wù)，目前進(jìn)展良好。
重離子束治癌是當前最理想的放療方法
癌癥防治是關(guān)系到人類(lèi)生存的重大問(wèn)題
惡性腫瘤——癌癥是常見(jiàn)病、多發(fā)病，是對人類(lèi)健康危害極大的疾病。2000年全世界癌癥患者總數約2500萬(wàn)，其中新增病例約1100萬(wàn)、死亡人數約700萬(wàn)。我國的情況更為嚴重，全國每年因癌癥死亡人數約140萬(wàn)，占死亡總人數的1/5，高居各種死因的第一位。近幾年我國每年新增癌癥患者約200 萬(wàn)，并且仍在以每年1.3％的速度遞增。國家對此高度重視，“開(kāi)發(fā)重大疾病防治技術(shù)，提升國民健康水平”已列入國家“十一五”科技發(fā)展規劃的重點(diǎn)任務(wù)。
癌癥的常規放療
為了有效地控制癌癥的蔓延和發(fā)展，人們采用了手術(shù)切除腫瘤、化學(xué)藥物治療、免疫療法、中藥療法及近年正在研究的基因療法等各種治療手段，放射治療也是其中比較有效的手段之一。據統計，經(jīng)不同方法治療的癌癥患者5年存活率已達45％以上，其中有4成是經(jīng)過(guò)放療的。近年來(lái)，癌癥放療的治愈率和有效控制率明顯提高，使某些早期局部性腫瘤獲得根治。預測今后幾十年放療還將是治療腫瘤的主要方法，因為放療對癌癥所在部位的器官及其功能的保留有重要意義。
長(cháng)期以來(lái)，常規放療采用電子、X和g-射線(xiàn)等輕粒子射線(xiàn)，它們在治療某些腫瘤時(shí)表現出較好的療效，但由于它們物理和生物特性的缺陷，在殺死癌細胞的同時(shí)，周?chē)】到M織也受到較大損傷，造成了明顯副作用，甚至出現一些并發(fā)癥。這是因為輕粒子射線(xiàn)進(jìn)入人體后，劑量主要損失在淺層，隨著(zhù)射程增大而逐漸減小，到達病灶時(shí)，劑量已經(jīng)不足以治療腫瘤，γ刀是用多束（最多超過(guò)200束）γ-射線(xiàn)從不同方向同時(shí)照射，以湊足治療必需的劑量，其結果對正常組織會(huì )造成很大的傷害。盡管對放療設備進(jìn)行了非常嚴密的設計，但腫瘤周?chē)恼＝M織和器官仍受到相當劑量的照射。為了避免腫瘤周?chē)＝M織（特別是對放射線(xiàn)敏感的重要組織和器官）受到不必要的損傷，有時(shí)不得不把總劑量減低，以致腫瘤區得不到足夠的照射劑量，因此極大地降低了腫瘤的治愈率。據統計，在所有的常規放療病人中，約有1/3病人局部腫瘤未控。另有報告，在美國每年有10萬(wàn)病人由于局部癌瘤未控而導致治療失敗。
重離子治癌的優(yōu)勢
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現利用重離子束在人體中的劑量損失集中于射程末端的物理學(xué)特性和高的相對生物學(xué)效應治癌時(shí)，與常規輕粒子放療相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，適用于其它放療方法難治或復發(fā)的未擴散局部腫瘤。德國重離子研究中心（GSI）對顱底瘤的治愈率達到85%～100%的高水平，都歸結于重離子束在物理學(xué)、生物學(xué)和醫學(xué)上的一系列獨特的優(yōu)勢：
（1）重離子束在人體中的劑量損失集中于射程末端，在深度劑量分布曲線(xiàn)上形成一個(gè)尖銳的Bragg峰，其半高寬（半極大值處的全寬度）只有毫米量級。通過(guò)調節入射離子的能量和方向，可使Bragg峰準確地落在腫瘤靶區，因而對健康組織的不利影響很小；
（2）在重離子Bragg峰區（腫瘤靶區）具有高的相對生物學(xué)效應，使細胞的致死效應幾乎不受細胞周期的影響，對常規射線(xiàn)不敏感的乏氧癌細胞也有很強的殺傷作用，而且導致癌細胞DNA發(fā)生雙鍵斷裂的幾率很高，造成的損傷幾乎不能修復，因而重離子的治療效果最佳；
（3）重離子束側向散射小，能量沉積的范圍精確，而且劑量邊緣清晰，有利于毫米量級的精確治療；
（4）通過(guò)調節入射離子能量和偏轉磁鐵導向束流，可實(shí)現束流三維掃描的適形和調強治療；
（5）應用PET（正電子斷層掃描）相機監測碳離子貫穿組織期間發(fā)生核反應產(chǎn)生的正電子發(fā)射體核素的正電子湮滅輻射，可在線(xiàn)監控照射束流的動(dòng)態(tài)，包括重離子在體內的射程和照射劑量；
（6）重離子治療的療程短，病人無(wú)痛苦，幾乎沒(méi)有任何毒副作用。
由于重離子治癌的以上優(yōu)勢而被國際上譽(yù)為21世紀最理想的放療方法，引起許多國家政府和相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的重視。目前世界上凡有中高能重離子加速器的國家都無(wú)一例外地開(kāi)展了重離子治癌研究，并興起了建造重離子治癌專(zhuān)用裝置的熱潮。
重離子治癌裝置的建設投資及其運行維護費用相對較高，資金回籠周期較長(cháng)，因而需要政府及社會(huì )力量的大力支持。其實(shí)，重離子治療費用并不算高，從國際上已成功取得國家醫療許可的一些單位的治療收費來(lái)看，重離子治療的總體費用與所在國傳統的手術(shù)和化療費用基本持平，在德國平均約2萬(wàn)歐元，在日本約為 310萬(wàn)日元。如果考慮到病人在傳統方法治療中的輔助治療以及腫瘤轉移后再治療的費用和患者所消耗的時(shí)間，而重離子治療的病人基本上不用住院，不需輔助治療，在接受治療期間可以象正常人一樣從事日常的工作、學(xué)習和生活，療程又短，重離子治療的總體費用實(shí)際上是降低了。而且，重離子治療的患者至今沒(méi)發(fā)現明顯的并發(fā)癥，因此很容易為廣大病人所接受。在總體費用不增加的情況下，病人更容易接受這種無(wú)創(chuàng )傷和基本無(wú)痛苦感的重離子束治療方法。
重離子治癌的國內外動(dòng)態(tài)
1954年，美國著(zhù)名的勞倫斯-伯克利實(shí)驗室（LBL）利用回旋加速器開(kāi)展了質(zhì)子束治療臨床試驗研究，在此基礎上于1975年利用其高能同步回旋重離子加速器BEVALAC開(kāi)始進(jìn)行重離子束治療臨床試驗研究，使美國成為世界上第一個(gè)實(shí)現重離子束治癌的國家。到1992年底BEVALAC關(guān)閉之前，主要用氖離子束治療了430多例患者，取得了很高的局部控制率。目前，位于加利福尼亞州的Touro大學(xué)正在建造美國第一個(gè)重離子治療中心。
日本于1993年在國立放射線(xiàn)醫學(xué)綜合研究所（NIRS）建成了一臺重離子同步加速器（HIMAC），專(zhuān)門(mén)用于重離子束治療及相關(guān)放射生物醫學(xué)研究。1994年6月第一批患者在HIMAC接受了碳離子束治療，到2009年底已累計治療腫瘤患者5196例，其中頭頸部腫瘤、非小細胞肺癌、原發(fā)肝癌、前列腺癌、宮頸癌、軟組織肉瘤等的3年局部控制率一般在63%～80%之間，個(gè)別的為50%、100%，而在所有治療的患者當中均未發(fā)現明顯的并發(fā)癥。受 HIMAC治療結果的鼓舞，日本于1996年在兵庫（Hyogo）開(kāi)始興建另一個(gè)專(zhuān)門(mén)用于治癌的帶電粒子治療裝置（PATRO），于2001年和2002 年分別開(kāi)始質(zhì)子束和碳離子束的臨床治療；在群馬大學(xué)建造的亞洲第一臺小型化重離子治癌專(zhuān)用裝置，已于2010年3月投入使用，已治療10名患者。日本政府計劃在5年內建造10臺醫用重離子加速器，并規劃在全國建造50～60臺重離子束治療專(zhuān)用裝置。
在德國，重離子束治療裝置HITAG已于1996年在德國重離子研究中心（GSI）建成。GSI借鑒了美國LBL氖離子束及日本NIRS碳離子束治療的特點(diǎn)和經(jīng)驗，開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的柵掃描束流配送系統、在線(xiàn)正電子發(fā)射斷層術(shù)（PET）和面向生物學(xué)效應的治療計劃系統，實(shí)現了重離子束的調強治療和束流的在線(xiàn)監控。1997年12月到2007年12月，GSI共收治顱內腫瘤患者400多例，總體療效非常顯著(zhù)，其中對脊索瘤的3年局部控制率達到81%，對粒狀肉瘤的3年局部控制率為100%。在開(kāi)展臨床試驗研究的同時(shí)，GSI聯(lián)合德國癌癥研究中心（DKFZ）在海德堡建造了一臺專(zhuān)門(mén)用于治療的離子束加速器，2008年起進(jìn)行患者治療，預計年治療患者1000～2000例。
歐洲其他一些有大型重離子加速器的國家（如法國、意大利）和目前尚無(wú)重離子加速器的國家（如比利時(shí)、瑞士、奧地利等），正在單獨或通過(guò)歐共體聯(lián)合等方式，醞釀籌建用于腫瘤治療的重離子加速器。2002年底，意大利政府批準在米蘭南部的Pave建立國家強子治療中心，包括質(zhì)子和重離子束治癌。歐洲目前共布局建設10多臺，并計劃按每500萬(wàn)～1000萬(wàn)人口布局一臺治療裝置來(lái)推廣重離子治癌技術(shù)。
我國山東淄博萬(wàn)杰醫院于2001年從比利時(shí)引進(jìn)IBA質(zhì)子加速器，2004年底正式開(kāi)始治療病人，已治療近千病例。上海于2009年1月與德國西門(mén)子公司簽訂了引進(jìn)重離子治癌裝置的合同，在復旦大學(xué)腫瘤醫院建設重離子/質(zhì)子治療中心，同年8月正式動(dòng)工，計劃3.5年建成。
蘭州的重離子治癌研究和臨床試驗治療
中科院近代物理研究所從1990年代初起在國家攀登計劃等科技項目的支持下，利用蘭州重離子加速器（HIRFL）提供的中能重離子束，開(kāi)展了放射生物學(xué)、醫學(xué)物理實(shí)驗研究、技術(shù)攻關(guān)和動(dòng)物試驗，為臨床研究積累了必要的基礎數據并做了各項準備。與此同時(shí)，近物所負責設計建造的蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)（HIRFL-CSR）大科學(xué)工程，在攻克一系列技術(shù)難關(guān)之后，于2005年基本建成，所掌握的核心技術(shù)大部分可用于重離子治癌專(zhuān)用裝置的研制。 2005年和2008年在HIRFL及CSR上分別建成了淺層（深度小于2.5厘米）和深層（深度大于2.5厘米）兩個(gè)治癌實(shí)驗終端及其專(zhuān)用束運線(xiàn)， 2006年11月至2009年8月，與蘭州軍區總醫院、甘肅省腫瘤醫院等密切合作，利用中高能重離子束臨床試驗治療了10批111例淺層和深層腫瘤患者，療效非常顯著(zhù)。對大多數患者而言，經(jīng)一個(gè)療程照射治療（10天左右，每天一次，每次不到10分鐘）結束時(shí)，腫瘤體積縮小40%～60%；后來(lái)的隨訪(fǎng)表明，1個(gè)月后腫瘤縮小60%～80%；3個(gè)月后瘤體基本消失，而且患者局部及全身始終未出現明顯的毒副作用，皮膚和血常規檢查也未出現明顯的毒副作用。前面試驗治療的100個(gè)病例中，除軟組織肉瘤的2年局部控制率為85%外，其余10多種腫瘤的2年局部控制率均在90%以上。這些患者絕大多數是外科手術(shù)和常規放療無(wú)法治療的病人，其中年齡最大的88歲，最小的10個(gè)月。蘭州重離子治癌的顯著(zhù)療效在全國各地引起很大反響，許多大中城市的政府、醫療單位、有關(guān)企業(yè)向近物所表達了建設重離子治癌專(zhuān)用裝置的意向。為此，近物所一方面積極申請國家、中科院和省市重大科技項目，深入開(kāi)展重離子治癌機理研究和臨床治療技術(shù)研究，努力提高治療水平；另一方面，利用在建設HIRFL-CSR大科學(xué)工程過(guò)程中攻克的關(guān)鍵技術(shù)，制定了小型緊湊、醫院適用的重離子治癌專(zhuān)用裝置設計方案，并進(jìn)行了多次優(yōu)化，為實(shí)現治療裝置產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。在中科院和省市政府的大力支持下，2009年7月蘭州市政府、甘肅盛達公司和近物所三方共建我國第一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權的蘭州重離子治療中心的協(xié)議正式簽署；同年12月簽訂裝置研制合同，啟動(dòng)了第一臺小型重離子治療裝置的研制；經(jīng)過(guò)積極籌備，2010年1月舉行了重離子治療中心開(kāi)工儀式，計劃3年建成。
我國重離子治癌的產(chǎn)業(yè)化前景
重離子治癌技術(shù)的發(fā)展目標是提高治療水平、擴大治療適應癥、降低治療成本，最終目標是實(shí)現重離子臨床治療和治療裝置的產(chǎn)業(yè)化，使更多的患者受益。
近物所重離子治癌裝置的設計方案，采用周長(cháng)約60米的同步加速器作為主加速器，小型回旋加速器作為注入器，高電荷態(tài)ECR源作為離子源，主要加速碳離子和質(zhì)子，碳離子的單核子能量達430兆電子伏，在人體中有30厘米以上的射程，最深的腫瘤都可以照射到；首批建設4個(gè)治療終端，可根據患者腫瘤的位置，選擇從水平、垂直、水平+垂直等不同的方向照射治療。該設計方案的優(yōu)越性在于：（1）近物所擁有方案所涉及的同步加速器、回旋加速器、ECR離子源的自主核心技術(shù)，技術(shù)水平處于國際前列，有的國際領(lǐng)先，因此技術(shù)上不存在不可逾越的障礙；（2）該方案的性?xún)r(jià)比高，在性能指標與國外裝置相當的情況下造價(jià)最低，具有很強的國際競爭力。
目前，我國每年新增腫瘤患者約200萬(wàn)例，其中60%患者需要做放射治療。在放療患者中，如果有一半的患者更適于做重離子治療，加上原有可以做重離子治療的患者，這樣，每年共計約100萬(wàn)例患者可以用重離子束進(jìn)行治療，服務(wù)社會(huì )的潛力很大。
重離子治癌技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的效益主要體現在3個(gè)方面：（1）按照每臺裝置每年治療1000-2000例患者、對每個(gè)患者平均收費15萬(wàn)元估算，每臺裝置的年毛收入約為1.5～3億元；（2）按照500～1000萬(wàn)人口需要配置一臺重離子治療裝置的國際通用算法估算，我國將會(huì )有數百臺上千億元的重離子束治療裝置的市場(chǎng)，前景非常廣闊；（3）對我國大型醫療裝備制造業(yè)來(lái)說(shuō)，可以提高自主創(chuàng )新能力，形成新的產(chǎn)業(yè)增長(cháng)點(diǎn)，這對調整產(chǎn)業(yè)結構和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)繁榮具有重要的意義。
