作者:刘垠 来源:科技日报 发布时间:2015/4/20 14:02:54
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探秘兰州重离子加速器国家实验室:遥远的甘肃有一条“龙”

图为兰州重离子加速器主环隧道。中国科学院近代物理研究所提供

《非诚勿扰2》中孙红雷扮演的李香山,因脚上的“癌中之王”黑色素瘤选择自杀。如果编剧知晓重离子治癌的功效,电影的结局可能重写。

“对肺癌、肝癌乃至医学界最头疼的黑色素瘤,重离子治疗的局部控制率在80%以上。今年内,甘肃武威的重离子肿瘤治疗中心将投入使用。”中国科学院近代物理研究所(简称中科院近物所)所长肖国青说,10年间,兰州重离子加速器对213例肿瘤患者进行临床试验研究,使我国成为继美国、德国和日本之后世界上第四个掌握重离子治癌技术的国家。

如同兰州的黄河和牛肉面,重离子加速器已成甘肃的名片。从新核素合成、核物理等前沿科学攻关,到治疗癌症、诱变育种等产业化发展,重离子加速器的各种终端应用可谓“顶天立地”。

三代大科学装置让“巨龙”腾飞

身处闹市之中,略显陈旧的白色大建筑群散发出沉稳而淡然的气息,科学界声名显赫的重离子加速器便藏身其中。

如果将重离子加速器比作一条巨龙,电子回旋共振离子源是龙头,1.7米扇聚焦回旋加速器、大型分离扇回旋加速器、新建的冷却储存环主环和实验环、放射性束流线共同组成了绵延的龙身,各种实验终端应用是灵活的龙尾。

这些大块头既有“智慧”也有故事。

“重离子加速器选址兰州,不仅是因为地处西北腹地比较安全,也为了给氢弹研制提供实验数据。” 中科院近物所成果转化与产业处项目主管梁伟说,在周恩来总理“应在兰州设一原子核科学研究点”的指示下,1957年,中科院近物所创始人杨澄中带领首批科研人员从北京中关村西迁兰州,担负起建造重离子加速器的重任。

作为“一五”期间前苏联援建我国的156个重大项目之一,肖国青说,1.5米经典回旋加速器建设经历了三年自然灾害以及前苏联政府毁合同、撤专家的困境。没有计算机,就用手画图纸;没有经验,就一遍遍做试验。正是老一辈科学家的自力更生、倾力合作,回旋加速器才于1964年正式运行。

“1.7米的回旋加速器是在‘一五’基础上建立,分离扇重离子加速器则是‘七五’的成果。”梁伟说,兰州重离子加速器每个阶段的建设成果,都依据国家重大需求而定。

1988年,中科院近物所建成了我国第一台大型重离子研究装置——兰州重离子加速器,主要技术参数达到或超越设计指标,跻身上世纪80年代同类加速器的国际先进水平,并于1992年获国家科技进步奖一等奖。

科研总是追着时代的脚步往前奔。进入“九五”,兰州重离子加速器迎来新任务:为满足我国深入开展重离子物理研究的需要,扩建多用途重离子冷却储存环。“自主设计建造、规模最大、能量最高、可加速全离子,蜿蜒160多米的重离子加速器冷却储存环,与德国的重离子冷却储存环同属世界级的大型核物理实验装置。”肖国青说。

半个世纪以来我国三代大科学装置研究成果,让这一巨龙在国际科学界声名鹊起。

重离子加速器很“全能”

“我们习惯叫兰州重离子加速器,其实,它是国际上为数不多的几台全离子加速器。”肖国青说,其加速的离子涵盖了元素周期表中的92种元素,实现了从原子质量最轻的“氢”到最重的“铀”的“全离子加速”,而且自然界不存在的、新合成的离子也能加速。

那么,重离子是怎么被加速的?带着满脑子的术语,记者在1∶50的重离子加速器模型前有了初步认识:它就像一列车厢颜色各异的火车,盘踞在复杂的回旋轨道上,重离子束就循着这样的轨道,穿梭于密闭的“车厢”间,一次次被加速。

走进重离子加速器实验大楼地下,记者对巨龙的龙身——加速系统和传输系统有了直观了解。在设备和管道间穿行,一个个硕大的黄色、蓝色巨块被管道所连接,周围是各种线圈和监测设备。

眼前重达30吨的蓝色巨块是二级磁铁,它的作用是让直线快速穿行的离子“拐弯”。离子通过偏转磁铁而改变运动方向,比如偏转22.5度,让16台这种磁铁沿同一方向偏转,就能使这些离子偏转360度,这意味着可以回过头来一而再、再而三的不断轰击目标。

重离子经过加速后产生的能量有多少?“如果重离子达到每核子400兆电子伏特,就可以达到30厘米的穿透力,能治疗人体深层的肿瘤。”梁伟告诉记者,而该加速器产生的重离子已达每核子1000兆电子伏特,穿透力在1米以上。

“从1.7米的回旋加速器到重离子冷却储存环,我国重离子运行的速度从最初的1%光速加速至约90%的光速,跻身国际先进行列。”肖国青以重离子加速器冷却储存环为例说,它能让上亿个重离子同步运行,自主研制率逾90%,各种元器件八成是甘肃造,在电子冷却技术、高频技术、超高真空技术等方面收获颇丰。

值得关注的是,重离子加速器冷却储存环在高精度测量短寿命核素领域取得重大突破,在世界上率先达到10-7量级的相对测量精度,使我国重离子加速器技术水平及重离子物理实验研究能力闯入世界前列。

“10-7量级的精度,相当于在一架空客A380上可分辨出一个U盘的质量。”肖国青说,“接下来的目标,是让重离子运行得更稳定。”

原子核数据中国说了算

就在今年春节假期,兰州重离子加速器完成了新核素合成和研究的一项实验工作。至此,兰州重离子研究装置已合成鉴别20多种新核素,占百年来人工合成新核素总数的1%。

核素是指具有一定数目质子和中子的一种原子核。科学家把各种不同的原子核统称为核素,新原子核的合成和研究,将进一步丰富和深化人类对原子核内部结构和运动规律的认识,推动与之相关的核物理和核天体物理的发展。

核理论家们预言核素约有8000多个,目前自然界存在的稳定的原子核只有280多种,科学家们利用加速器人工合成3000多种不稳定的放射性核素。

要知道核桃的内部结构,就必须砸开核桃才能知晓,这也是进行原子核试验的原理。“用能量较高的粒子(即弹核)来轰击原子核(即靶核),使靶核变成另外一种原子核。而这个如同‘打靶’一样的过程,就被称为‘核反应’”。肖国青说,利用重离子加速器取得一系列基础科学成果,比如合成研究20多种新核素并研究其衰变性质,首次测量21种短寿命原子核质量。

由于在合成新核素领域中取得重大进展,国际原子核的质量评估发布权从法国核谱质谱中心转移至兰州重离子加速器国家实验室。2013年起,国际原子质量评估工作由中科院近物所承担,终结了国际原子质量评估工作多年来为法国核谱质谱中心“垄断”的历史。

“穿甲弹”治癌分“敌我”

如今,国家累积投资重离子加速器逾10亿元。重离子加速器每年还需1.1亿元的费用运行和维护更新。也就是说,重离子加速器每开机1小时,就要花2万多元。

这一耗时长、投入大的大科学装置,对老百姓而言意义何在?

“一提起重离子加速器,兰州人第一反应是治疗癌症。对肺癌、肝癌乃至医学界最头疼的黑色素瘤,重离子治疗的局部控制率在80%以上。”说到成果落地,肖国青直起了身子,“我们有深层和浅层治疗两个临床治疗试验研究终端,与医院合作利用重离子进行了临床治疗试验前期研究。”

2006年11月,中科院近物所的重离子治疗装置迎来首个病例,对癌症患者皮下深度约为1.5厘米的肿瘤进行试验治疗,10天的疗程后,肿瘤已缩小近一半。

“虽然重离子也是一种射线,但与当前医院里的X射线和γ射线相比,对人体副作用小,患者的生存质量也更高。”肖国青解释说,重离子只需用1/3的X射线照射时间就可杀死癌细胞。通过对患者进行CT、核磁共振等定位,再制订周密的治疗计划,重离子束深层治癌要治疗10到12次,每次几分钟到十几分钟,远低于放化疗的一个多月。

重离子治癌的最大优势来源于倒转的深度剂量分布。常规射线会随着深度增加呈现指数衰减的形式,而重离子束进入身体后能量损失小,仅在最终停下的位置才会释放大部分能量,形成尖锐的剂量峰“布拉格峰”。

“常规射线呈现抛物线状,随着射程增大能量会递减,到达病灶时剂量已降低,且在杀死、杀伤癌细胞的同时,也会误伤正常细胞。”看到记者有些不解,梁伟又拿出电脑及时科普,“重离子束抵达病灶前能量一直处于低谷,聚集的能量在射程的末端,抵达病灶时,分清‘敌我’的‘穿甲弹’会精准地痛击肿瘤,而且对周围正常组织和敏感器官的副作用小得多。”

当前,我国每年新发癌症病例约320万,因癌症死亡约250万。重离子加速器每年可运行230天,约为5500个小时,每台每年可治疗1000至2000多个病人。面对庞大基数的新发癌症患者,肖国青认为“再增加100台也不够用。”

“兰州重离子治癌设备,在造价上与国外相比优势明显。德国产的重离子治癌设备报价在15亿元左右,而中国造的设备只需约6亿元。”肖国青透露,甘肃武威的重离子肿瘤治疗中心正在安装调试,争取年内投入运行,预计一位患者治疗费用在20万元以内。

让“绿草变红花”

除去重离子治疗肿瘤的基础研究和关键技术攻关,兰州重离子加速器还建成了单粒子效应地面模拟实验平台,为卫星和飞船上的航天半导体器件抗辐射性能及其加固提供了关键的测试平台,为航天器的安全运行提供重要的技术保证;通过重离子辐照技术,还研制成功多种新型材料……

让近物所人更为自豪的是,在广袤的大西北,利用重离子诱变技术培育出春小麦、甜高粱、当归、瓜果、花卉等作物的优良新品种,以及微生物新菌种和新药。

绿草变红花,在人们印象中是童话般的美好。重离子加速器国家实验室在生物领域的研究,却让其从梦想走进现实。

2011年8月,中科院近物所科研人员利用兰州重离子加速器提供的碳离子束,对白花紫露草进行了诱变育种,再三筛选后培育出稳定的白花紫露草色素突变体——“冬花夏叶”,从而实现了“绿草变红花”。

“‘新品种’白花紫露草,具有茎杆紫色、叶片会变为粉红色等特点,粉色斑点颜色的深浅与面积大小,还会随温度发生变化。”肖国青说,其性状稳定、观赏价值也明显提高,经科技成果鉴定达到国际先进水平。

花卉在经受重离子辐照诱变时会为生活添彩,对农作物的安全性会产生影响吗?肖国青坦言,辐射诱变育种不引入外来基因,当辐照剂量处于安全范畴时,不会引起毒理学的危害,公众无需担忧。

“我们和张掖市农科院合作选育出9个春小麦稳定突变新品系及‘陇辐2号’小麦新品种,已成为河西走廊的主栽品种,取得社会经济效益近8亿元。”肖国青称,培育的早熟甜高粱新品种,形成饲料、保健酒和酒精、糖和酵母的产业链。而对玉米、马铃薯、新疆棉花等作物的辐照,获得相应的有益突变株系,目前正在选育新品系。

 
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2015/4/20 16:11:15 wilczek
兰州辐射过的上过太空的高粱酿的酒不错,可以喝一点
2015/4/20 14:09:16 DasPhysik
去年我去兰州看了一次。平心而论,技术数据已经落后了。还要再升级。
目前已有2条评论
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