作者:赵红卫 来源:学习时报 发布时间:2024/5/1 8:04:56
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赵红卫院士:重离子加速器拥有哪些“绝活”

 

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赵红卫,中国科学院院士。他长期从事离子加速器物理及技术研究。作为主要贡献者,他参与建设了兰州重离子冷却储存环大科学装置和我国首台完全自主知识产权的重离子肿瘤治疗装置。他还主持建成了多台强流高电荷态离子源,引领了国际高电荷态电子回旋共振离子源发展,负责建成了目前国际上束流强度和束流功率最高的连续波质子超导直线加速器。曾荣获国家科技进步二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。


“兰州重离子加速器”是中国核物理研究领域一个重要的大科学装置。它诞生于20世纪60年代初,刚开始只是一个直径5米的“小家伙”,协助科学家进行核物理研究,为我国的氢弹研制作出了一些贡献。经过科学家几十年的边研究边建设,“兰州重离子加速器”已经从当年占地面积只有400多平方米的“小家伙”成长为现在占地上万平方米、拥有三项绝活的“大块头”。上天,能为航天器核心零部件做体检,保障它们正常运行;下地,能为农民培育优良的农作物品种;治疗人人谈之色变的癌症也是它的强项,这可是当今全球医学界非常热门的一个领域。

重离子加速器如何建成

我们生存的宇宙来源于一次大爆炸,大爆炸后的万分之一微秒时间里形成基本粒子,像夸克、胶子等,然后一百微秒级产生了核子,就是质子和中子,经过大爆炸3分钟左右时形成了非常轻的核,像质子、氦这样轻的核,然后经过10万年左右时间逐步演化形成氢、氦这样的轻元素,还有稍微重一点轻元素,又经过10亿年时间逐渐形成了现在能看到的星体,再经过138亿年时间,逐渐把大爆炸当时产生的简单、无趣的宇宙演变成我们今天看到的色彩斑斓、非常美丽的世界。利用核反应把大爆炸原初所产生的氢、氦逐渐合成产生了金、铋、铅,还有铀——这样非常重的元素。元素周期表中,氢、氦之后都算重元素,它们的原子失去外层电子后就变成了重离子,常用的有碳离子、铁离子、铀离子等等。将重离子加速到接近光速,形成能量极高的离子束。这些离子束就像透视眼一样,能帮人类“看穿”很多东西。

你可以把带电离子加速器想象成一个火力十足的大炮,这个大炮喷射出来的就是离子束。用这些离子束可以打一个靶,这个靶既可以是运动的,也可以是静止的。打在靶上会发生什么呢?就会发生核反应,如果核反应的产物是中子、光子或者是伽马射线,就可以用来成像。比如海关的集装箱检测就是用加速器技术来产生高能量的伽马射线,可以看清楚集装箱里面的物体是什么东西,甚至分辨率如果高的话,可以看清集装箱里面货物的内部构造;如果它的产物是光子或者中子,可以用来探测生物大分子的结构,中子也可以用来成像研究航空发动机叶片的残余应力。如果离子束能量更高,它反应的产物有可能是核产物或者是放射性的同位素,或者是夸克这种基本粒子,可以通过测量这些核产物以及这些基本粒子,开展核物理和粒子物理关键科学问题的研究。

兰州重离子加速器实际上是由四台加速器串联起来,前面两台是回旋加速器,把离子束先进行初步的加速,加速到一定的能量,后面接着两台重离子的冷却储存环,也可以称作重离子同步加速器。这个重离子同步加速器周长是162米,它可以把离子加速到光速的0.8倍。离子束加速到光速的0.8倍有多厉害呢?假如说四五个人沿着纵向排队站在一起的话,这样的离子束可以把四五个人直接射穿。20世纪80年代,我国就能建造这么大型的重离子回旋的加速器,即使现在它也是世界三大常温重离子回旋加速器之一。

重离子加速器的重要应用——癌症治疗

重离子加速器有三大绝活,其中与百姓生活直接相关的,现在最热门的,应该就是癌症治疗。重离子治癌最早由美国科学家提出,1975年,他们在劳伦斯伯克利国家实验室治疗了第一个病人。1994年,日本国立放射科学研究所将一台重离子加速器用于临床,这也是世界上第一个医疗专用的重离子加速器设备。紧随其后,德国也开始研究重离子加速器治疗癌症,并于1997年开始临床试验。重离子加速器治疗癌症的方法简单来说,就是先定位,确定好肿瘤的位置;再瞄准,算好肿瘤和离子束发射口之间的距离;最后调节参数,射击,让离子束刚好能在肿瘤位置爆发最大能量,杀死癌细胞。

重离子束可以用来做肿瘤治疗,治疗精准,疗效显著,副作用极低。为什么说重离子束疗效这么好呢?实际上与重离子束非常神奇的特性有关系。离子束射入任何物体里面,它的能量损失射程都有一个分布曲线,叫布拉格峰,在射程期间它的能量沉积或剂量沉积非常非常低,只有在射程的末端离子束突然释放出能量。这是任何离子束,包括质子束和重离子束都有的一个特点。比如说在颅内有一个肿瘤,离子束是从头皮射入,从头皮到肿瘤这一段射入过程中,它释放出的能量非常低,剂量非常低,对正常组织损伤非常小,也就是说它的副作用非常低,只有到肿瘤这个位置的时候突然爆发,把能量释放出来用来杀死肿瘤。重离子为什么能够对癌细胞有这么高的致死率?是因为重离子射入到人体以后,通过各种各样的机制它能够把癌细胞的DNA的双链直接打断,癌细胞就逐渐地凋亡,所以它杀死癌细胞的能力非常强,效率也非常高。

2006年,甘肃省重离子肿瘤临床治疗实验室成立,迎来了第一位癌症病人。截至目前,武威重离子治疗中心已经治疗了1200多个病例,年龄最大的93岁,最小的只有14岁。从2019年到现在我们推广的这种完全自主知识产权的重离子治疗装置,已经有8台。

重离子加速器让育种技术迈上新台阶

除了大家关心的癌症治疗之外,重离子加速器的第二项绝活,也跟大家的生活息息相关。我国作为一个人口大国,粮食安全一直都是重中之重,在我国的重离子加速器诞生之前,我国科学家就已经在用低能量的离子束诱变技术进行农作物育种,而有了重离子加速器之后,更高能量的离子束让育种技术又上了一个新的台阶。

重离子束做肿瘤治疗,它最基本的机理就是用离子束把癌细胞的DNA的双链直接打断。大家可以想象,假如说用重离子束来辐照植物的种子,植物的种子也是有DNA的,不把它的DNA全部打断,而是一部分打断,DNA是有修复能力的,这时候它就可以自我修复,在修复的过程中有可能会出现错误修复,会让DNA出现突变。因此我们可以利用DNA突变的特点,做离子束的辐照育种,这种辐照育种的机理实际上和太空育种是类似的。大家都听说过太空育种,宇宙射线里面也有高能量的质子和重离子,种子通过宇宙飞船带到太空以后,靠宇宙射线来进行辐照。太空育种有点像守株待兔,因为它是利用太空里面各种各样的宇宙射线,宇宙射线的种类、能量是没办法控制的。但是我们地面的加速器所提供的离子束,它的离子的种类可以控制,它的束流强度可以控制,能量也可以控制,所以可以做到精准调控。这样就可以进行筛选,筛选出来以后再进行一代一代的培育,最后能够培育出新的品种,或者是植物的新品系。

中国科学院近代物理研究所通过重离子束的辐照,培育出了新的小麦品种叫“陇辐2号”,在甘肃省种植面积曾经超过了800余万亩。通过重离子束辐照育种,产生这种新的小麦品种,它的杆很粗,可以抗倒伏,而且它的产量有一定的提高,它的优势在这里。另外重离子束还可以用来诱变水稻、粳稻的新型品种,比如说“东稻122”“东稻275”等等,我们培育了大概4个新品种,2022年“东稻122”在吉林省和黑龙江省种植的面积大概是50多万亩。通过重离子束辐照培育新的水稻品种,大米里面重金属的含量可以大幅度下降,重离子束在农作物的辐照育种上可以发挥很重要的作用。

给航天器电子器件体检

从地球看太空,似乎一片安宁。但其实大气层外十分凶险,宇宙射线暗流汹涌,空间辐射暴躁狰狞,会干扰甚至损坏火箭、卫星上的重要元器件,严重威胁航天器的安全。所以,航天器在上天之前,需要进行严格的“体检”。国内外有大量的航天器件,因为单粒子效应这一个原因导致故障或者是失败。根据美国航空航天局的统计,各种各样的航天器,所有故障里面大约45%的故障率是来自高能离子的单粒子效应造成的。2011年俄罗斯有一个火星探测器机载的计算机,由于单粒子效应的问题最后失效,不能完成在轨点火,火星探测器和地面失去了联系,最后坠入到太平洋。所以可以看出单粒子效应对航天器械的危害有多大。

兰州重离子加速器在地面可以模拟太空里面高能的离子束,在地面就可以验证航天器件能不能扛得住太空里面高能射线的轰击。兰州重离子加速器为我国的北斗、天宫、神舟、嫦娥等任务型号的元器件,提供了重离子束来做单粒子效应地面模拟,对这方面的实验发挥了很重要的作用。

合成新元素

治疗癌症、辐照育种、给航天器电子器件体检,其实这三大绝活都是重离子加速器的日常工作,除了这些,重离子加速器还肩负着一项重要的科学使命,那就是合成新的元素,这也是当初科学家把重离子加速器造出来的重要目的。我们中学学过的化学元素周期表,目前一共是118个元素,其中,92号铀元素之前,都是在自然界中发现的稳定元素,而92号以后,全是人工合成的新元素,尤其是100号以后,都是靠重离子加速器合成的。如今,全世界许多科学家都铆足了劲儿,看谁能率先造出第119号新元素,开启元素周期表全新的一行——第八周期。

如何合成新元素呢?实际上就是把两个原子核通过熔合反应熔合成一个新的原子核。大家可以想象,把两滴水合成一滴水这是比较容易的事情,但是你要把两个原子核熔合成一个新的原子核,这就要克服巨大的核力。我们知道,原子核都是带正电荷的,它们之间有非常强的作用力,只能通过熔合反应才能够生成新的原子核。

现在全世界都在竞争,看哪一个国家能够首先合成119号或者120号元素,这主要是日本、俄罗斯、美国和中国之间的竞争。我们现在也具备合成119号元素的基本条件,参与到了激烈的国际竞争中。人类能够合成这种新的超重元素吗?确实不知道,这是基础研究的魅力,就是探索未知,我们翘首以待。

重离子加速器的巨大潜力

重离子加速器还有很大的潜力,科学家正在努力让它变得更强大,产生更高能量、更多离子束,解决更复杂的科学问题。

现在,中国科学院近代物理研究所正在广东惠州建设两台大规模的、更高能量的、更高束流强度的离子加速器,一个叫强流重离子加速器装置(HIAF),主要是用于核物理、高能量密度物理以及原子物理等领域重大科学问题的研究;另外一个叫加速器驱动嬗变研究装置(CiADS),主要用于核电站产生的核废料的处理——前期研究,以及加速驱动的先进核能方面的研究。这两台大型加速器都是国家“十二五”重大科技基础设施,总投入大概是70亿元。这两台加速器正在建设,总占地面积大概是900亩。为了建造这两台大规模更高能量更高束流强度的离子加速器,我们花了10多年的时间,自主研制,进行关键核心技术的攻关,建成了世界上首台高功率的连续波质子束超导直线加速器,在国际上首次稳定加速了10个毫安的质子束,这是目前连续波的超导直线加速器——能够加速质子束最高的束流强度的世界纪录,把过去的世界纪录提高了5倍多,实现了国际领先。

这么先进的技术到底有什么用?其中一个用途是用于发射阿尔法粒子的同位素的量产技术。发射阿尔法粒子的放射性同位素是非常难生产的,主要是用高能量、高强度的粒子加速器,我们现在发展出来的这个技术就可以用于这种同位素的制备,而这种发射阿尔法粒子的同位素可用于癌症的治疗。根据统计,大约有90%的癌症患者,最后死于扩散的、转移的、弥散的癌症。如何治疗这种癌症?目前在国际上有一个非常热也是非常重要的治疗方法,叫阿尔法同位素靶向药物治疗,它可以做到精准有效放射治疗。那么阿尔法靶向同位素药物要进一步发展,一个技术上的挑战就是如何大量生产这种能够发射阿尔法粒子的同位素。

兰州重离子加速器这类大科学装置,主要用于前沿基础的重大科学问题的研究,它可以从多个层面来研究物质的起源、存在的极限、基本结构和相互作用等规律。通过这样的研究能够发现新的规律,能够产生新的技术、新的方法。这些新的技术、新的方法可以应用到我们社会生活的方方面面。基础研究是从0到1、从无到有原始创新的源泉,大科学装置是科技强国实力的一种体现,需要国家长期的支持和科学家不懈的努力才能更好地发挥作用。


 
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