大国重器出武威

从甘肃省兰州市出发，一路向西北，穿越庄浪河，翻过乌鞘岭。经过约4小时车程，科技日报记者来到了地处河西走廊东端的武威市。

夏日的阳光洒在戈壁滩上，放眼望去，一座宏伟的建筑出现在腾格里沙漠边缘。这里就是武威重离子中心，我国首台拥有自主知识产权的医用重离子加速器装置（以下简称“装置”）就安放于此。

“这个装置是目前全国最大的医疗设备之一，被誉为肿瘤放疗领域的大国重器。建成以来，已完成1400余名肿瘤患者的治疗。”甘肃省武威肿瘤医院副院长、武威重离子中心主任张雁山告诉记者。

射线界的“天使”

重离子和肿瘤治疗有什么关系？这是记者向张雁山提出的第一个问题。

“重离子放疗是目前国际上公认的先进放疗手段，特别适合于不宜手术、对常规射线不敏感等难治肿瘤的治疗。”张雁山说，“简而言之，重离子放疗就是用高速束流‘轰击’肿瘤病灶。”

他解释，重离子束具有独特的物理学特性，其在抵达病灶前释放能量较少，抵达病灶时，会瞬间形成名为“布拉格峰”的能量释放峰，杀伤癌细胞。

“整个治疗过程就像是对癌细胞实施精准的定点‘爆破’，既能强力照射病灶区域，又不会‘误伤’沿途正常细胞，从而实现疗效最大化。”张雁山形象地说，正因为拥有这种精准放射的特性，重离子束被称为射线界的“天使”。

说话间，记者随张雁山来到了装置中央控制室。宽敞的大厅内，监控大屏实时显示着装置各部件的工作状态。

张雁山指着大屏，向记者讲解起装置的主要部件——离子源、回旋加速器、同步加速器以及4个治疗终端的运行过程。

“从控制台发出指令后，离子源将碳原子核外的电子剥离形成碳离子（俗称‘重离子’），并让它们以几乎一致的速度和方向运动，形成重离子束。”张雁山介绍，“接下来，重离子束被引出，再经多轮加速转变为高速束流，由治疗终端射入人体。”

为了更直观地解释重离子束加速过程，张雁山带记者来到装置模型前。

“这就是离子源，负责生成重离子束。”张雁山指向一个形似哑铃的部件说，“它下面这个淡绿色圆柱体，是回旋加速器；旁边那个大回环，则是同步加速器。这两个加速器次序运行，最终将重离子束加速至满足治疗要求的高速束流。”

“初速度”的提供者

“能否输出高速而稳定的重离子束流，是整个装置成败的关键。”张雁山告诉记者，如果束流速度与稳定性不够，治疗剂量的准确性就难以保证，疗效就会受到影响。

为此，首先要做好预加速。重离子束从离子源出来后，进入加速的第一站——回旋加速器。回旋加速器被称为“初速度”的提供者，利用磁场和电场的共同作用，让重离子束在旋转中反复加速。

走到回旋加速器跟前，记者看到，它宛若一个圆筒形粮仓，直径约3米、高约2米。

“虽然个头不大，但它能够将重离子束加速到6.8兆电子伏特/核子，速度相当于光速的12%。”中国科学院近代物理研究所副所长杨建成介绍。

一般而言，预加速都采用直线加速器，这个加速器为什么是回旋的？

听到记者的提问，杨建成言语中透出自豪：“这是重离子治疗装置的‘中国方案’！”

此前，国际上的医用重离子加速器多采用直线加速器来给重离子束提供“初速度”。国外研发人员还为此申请了直线加速腔体结构专利。“为了规避专利壁垒，我们只能另辟‘赛道’，最终设计出回旋加速的方式。”杨建成解释。

相比直线加速器，回旋加速器的优势更为明显。国际上具有相似功能的直线加速器长度一般为十几米，而回旋加速器直径只有3米左右，体积和所占空间都更小。

“最初是为了打破国外的技术垄断，结果却是‘柳暗花明又一村’。”杨建成笑道，“我们创新设计出回旋加速器与同步加速器相组合的独特结构，有效缩短了整个加速器的长度。相应地，整个装置的建造成本也更低，间接节约了患者的治疗成本。”

加速度的“主力军”

获得“初速度”离开回旋加速器后，重离子束将进入装置的核心部件——同步加速器。

“它是加速度的‘主力军’。”杨建成介绍，“在这里，重离子束会被加速至400兆电子伏特/核子，速度高达光速的70%。”

俯瞰同步加速器，记者发现它如同一串绚丽多彩的手串，上面点缀着蓝色、黄色和银色的“珠子”。

“那个蓝色的弯曲长方体是二极磁铁，可以让重离子束转弯；黄色的方块是四极磁铁，能够聚拢重离子束，防止其在加速时散开；银色的管子是高频腔，负责加速重离子束。”中国科学院近代物理研究所加速器技术中心副主任冒立军手指同步加速器的各个构件一一介绍。

从模型上看，同步加速器不算大，实际上它却是一个不折不扣的“大家伙”。这些“珠子”连在一起，围成环形，周长足有56米，占地面积接近2亩。

正当记者感叹其体量巨大时，杨建成却说：“小型化是这台同步加速器的突出特点。与德国同一级别加速器相比，其周长缩短了19米。装置体积更小、功耗更低、占地面积更少，才更有利于在医院推广应用。”

二极磁铁的使用数量，直接影响着加速器的周长与能耗。冒立军说：“国外的同类装备多采用16块或12块二极磁铁，我国这台同步加速器采用了完全不一样的结构，只用了8块二极磁铁。”

为了保证装置输出的重离子束流稳定可靠，杨建成等人在这些磁铁上下足了功夫。

“磁铁参数要达到万分之二的均匀度，差一分一毫都不行。”杨建成解释，“一秒钟，离子就会在同步加速器内跑几百万圈。如果精度达不到要求，离子每走一圈都会偏离一点，最终会因撞到真空管壁而丢失。”

经过多轮调试与验证，2019年9月，这台具有完全自主知识产权的医用重离子加速器装置——碳离子治疗系统获得注册许可。这也意味着，我国成为全球第四个拥有自主研发重离子治疗系统和临床应用能力的国家。

“在不久前召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上，习近平总书记强调，‘进一步加大科技创新力度’‘让科技更好造福人类’。这让我们备受鼓舞。”杨建成向记者表示，“我们正在加快建设第二代医用重离子加速器装置，让先进技术装备更好惠及民生，造福更多患者！”