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蘭州重離子加速器: 探秘宇宙惠及民生的“巨龍”
發布時間:2021年06月07日 09:41    來源:科技日報
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  蘭州重離子加速器: 探秘宇宙惠及民生的“巨龍”

  走近可以治療

  癌癥的“巨龍”

  近日,我國首臺自主知識產權碳離子治療系統投入臨床應用迎來“周歲”,蘭州重離子加速器治癌也亮出了成績單:300多名患者在甘肅武威重離子中心接受治療,治療結束的患者療效顯著,耐受性良好。

  “蘭州重離子研究裝置是目前亞洲能量最高、國內唯一的中低能重離子加速器。但這一大國重器從基礎研究走向民生應用,整整用了28年!敝袊茖W院院士、中國科學院近代物理研究所(以下簡稱近代物理所)黨委書記趙紅衛說,這些重大科研成果的取得,離不開65年來幾代科學家的接力建設。

  “如果把科研人員比作匠人,蘭州重離子加速器提供的束流就是我們手中的‘金剛鉆’!苯锢硭宋锢碇行氖紫茖W家張玉虎研究員說,隨著重離子加速器的不斷“進化”,科學家們可以源源不斷地產出重離子治癌裝置、精確測量短壽命原子核質量、合成新核素、培育更優品種的農作物等系列成果。

  “我們一定能建成自己的回旋加速器”

  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即是發射炮彈的地方,1.7米扇聚焦回旋加速器、大型分離扇回旋加速器、冷卻儲存環主環和實驗環、放射性束流線共同組成了綿延的龍身,各種實驗終端應用則是靈活的龍尾。

  走進蘭州重離子加速器國家實驗室,偌大的展廳中,中國重離子事業奠基人楊澄中院士的雕像居中佇立。對于近代物理所人來說,他們更愿意尊稱楊澄中為“楊先生”。

  “‘一五’期間,以楊澄中先生為代表的一批科學家,從北京中關村來到條件非常艱苦的蘭州,懷著篤定的信念和創新開拓的決心,建設1.5米回旋加速器!壁w紅衛告訴科技日報記者,彼時經歷了三年自然災害以及蘇聯政府毀合同、撤專家的困境。

  正是楊澄中帶領全體工程技術人員,自力更生、攻堅克難,終于在1964年5月,1.5米回旋加速器正式運轉,供科學研究使用,為我國原子核物理研究創造了重要的實驗條件。

  為使中國重離子物理研究盡快走向國際核物理研究前沿,1972年,時任研究所所長楊澄中等人提出,在蘭州建造一臺大型分離扇重離子回旋加速器(SSC)。

  “當時國際上重離子物理研究才剛起步,老一輩科學家的前瞻思維和戰略眼光為此后發展打開了全新的視角!壁w紅衛說。

  時光的腳步來到“七五”,后來成為中科院院士、近代物理所所長的魏寶文,追隨老師楊澄中的腳步投身重離子加速器研制中。

  在一窮二白的基礎上搞研究,難度可想而知。1975年底,加速器建造方案討論會召開,魏寶文根據研究結果拋出了令人振奮的結論:“理論基礎是可靠的,我們一定能建成自己的回旋加速器!

  1976年11月,原國家計委批準蘭州重離子加速器的建造計劃。歷經十二載寒暑,老、中、青三代人的努力,終于在1988年歲末建成了我國第一臺大型重離子加速器。遺憾的是,楊澄中沒有等到這一刻。

  蘭州重離子加速器的成功出束,宣告中國建成了繼法國、日本之后的第三臺大型重離子回旋加速器。1992年,這一重大成果摘得國家科技進步獎一等獎。作為目前國際上運行的三大常溫重離子回旋加速器之一,蘭州重離子加速器至今已運行30年。

  “到了上世紀90年代中期,魏寶文老師提出在蘭州重離子加速器上續建冷卻存儲環的設想!鄙頌閷W生的趙紅衛說,老師當時并沒有十足把握,只是意識到必須讓重離子加速再往前走一步,提高束流強度和能量,拓展束流品種。

  于是,魏寶文帶領三個研究生,包括后來成為院士的夏佳文、趙紅衛等做預研,并證明了項目的可行性。2000年,蘭州重離子加速器冷卻儲存環(CSR)建設被列為國家“九五”大科學工程之一。

  時任所長,后來成為中科院院士、中科院副院長的詹文龍擔任工程經理,從魏寶文手中接過棒,帶領一批優秀的年輕人,開啟了十年的接續奮斗。

  2008年,蘭州重離子加速器冷卻儲存環建成并投入運行,它實現了從氫到鈾的全離子加速,完成了從低中能向高能的跨越,成為世界級的大型核物理實驗裝置、國際一流的重離子科研平臺。

  令人振奮的是,蘭州重離子加速器冷卻儲存環能讓上億個重離子同步運行,自主研制率逾90%。

  敲開原子核,探尋宇宙奧秘

  歷經“1.5米經典回旋加速器”“蘭州重離子研究裝置”和“蘭州重離子加速器冷卻儲存環”三代國家大科學工程建設, 蘭州重離子研究裝置在國內外聲名鵲起,也培養了一批本領過硬、潛心科研的人才。

  人類探索星空的腳步從未停歇,好奇心驅使著人類一次次仰望星空,一步步接近宇宙和科學的奧義。然而,我們對浩瀚的宇宙還知之甚淺,比如,比鐵更重(包括鐵在內)的元素的起源、產生的途徑缺乏科學數據的支撐,所以,宇宙天體演化形成過程雖然絢爛,但卻撲朔迷離,依然存在大量未知。

  “科學家要拿極低截面——發生概率很低的實驗數據去解釋一些國際前沿科學問題,這就要發展更先進的實驗技術和探測方法!苯锢硭铀倨骷夹g中心副主任孫良亭研究員解釋說,為拿到更多的有用數據、提高實驗精度與效率,發展高流強、高電荷態的重離子離子源迫在眉睫。

  于是,近代物理所在2005年成功研制了國際上最先進的第三代超導高電荷態電子回旋共振(ECR)離子源裝置。如今,在老師趙紅衛院士的帶領下,孫良亭正和所在團隊攻關研發世界首臺45GHz(吉赫)基于鈮三錫超導磁體的高電荷態ECR離子源。

  制造出新的原子核并精確測出質量,是科學家們的不懈追求和夢想,原子核的質量數據對核天體物理具有重要的應用價值。

  “以鈷-51為例,2萬億億個鈷-51比一粒小米還輕,壽命只有100毫秒!睆堄窕⒄f,“眨一下眼睛的功夫,這個原子核已經死亡10次了!

  2009年起,近代物理所科研人員利用蘭州重離子加速器冷卻儲存環,制造出了可以測量短壽命原子核質量的“秤”——等時性質量譜儀,其精確度可達10-7。

  “10-7量級的精度,相當于在一架空客A380上可分辨出一個U盤的質量!皬堄窕⑿χf,通過不斷的技術和方法創新,當前,近代物理所保持著測量壽命最短和精度最高的世界紀錄。

  科學家把各種不同的原子核統稱為核素。核理論家們預言核素約有8000多個,目前自然界存在的穩定的原子核只有280多種,科學家們利用加速器人工合成3000多種不穩定的放射性核素。

  借助重離子加速器裝置,近代物理所的科學家們合成研究了32個新核素,它們正逐漸在醫學、材料研究、農業等領域得到應用。

  加速科技進步,“重”在造福民生

  “加速器加速科技進步,重離子重在造福人民!敝袊茖W院原院長白春禮的題詞,陳列在近代物理所學術報告廳。大科學裝置的應用要“頂天立地”,這也是幾代近代物理所人建設發展重離子加速器的初心。

  近年來,蘭州重離子加速器在基礎研究領域產出豐厚,相關成果應用也是多點開花,如開展航天元器件地面檢測和評估工作,成為相關部門指定的檢測基地。

  “上天的衛星及其所攜帶的電子設備,不可避免會暴露在充滿高能電子、質子和重離子等空間輻射環境中,高能宇宙射線會造成大多數半導體器件出現單粒子效應,嚴重威脅航天器在軌安全!苯锢硭牧现行闹魅蝿⒔苎芯繂T說,依托蘭州重離子加速器大科學裝置,科研人員建造了具有國際一流技術指標單粒子效應地面模擬裝置,更好地為中國航天元器件保駕護航。

  重離子技術用于治癌,成為基礎研究促進科技發展、大科學裝置造福社會的典范。1993年以來,近代物理所先后建成多代大型重離子加速器裝置,通過先進加速器技術和核探測技術研發、重離子束治療的相關生物學基礎研究以及臨床前期試驗研究,使中國成為世界上第四個實現重離子束臨床治療的國家。

  “國產重離子治療系統的很多標準都是由我們起草的,從基礎研究到技術研發,從產品示范再到臨床應用,這個過程是自主創新的生動實踐!比珖䥇f委員、近代物理所產業化總監蔡曉紅研究員說。

  走進計劃于今年底投入運營的蘭州重離子醫院,占地長80米、寬50米、凈高達18米的重離子治療設備闖入眼簾。

  “把重離子從離子源引出來,經過注入器預加速,然后在同步加速器中加速到最高能量——每核子400兆電子伏,它在人體里穿透的射程可達27厘米,能滿足不同深度腫瘤的治療!辈虝约t介紹,重離子治療的副作用小,療程短、療效好,特別適合于不宜手術、對常規射線不敏感、常規射線治療后復發的部分實體腫瘤的治療。

  與常規放療射線相比,重離子在人體中的劑量損失集中于射程末端,在劑量隨射程分布曲線末端形成高劑量的布拉格峰。通過調節入射離子的能量和方向,可使布拉格峰精準轟擊腫瘤靶區,精度達毫米量級,而對沿途和周圍健康組織的損傷最小。

  碳離子是適于治療腫瘤的一種重離子。一年前在甘肅武威投入運營的我國首臺自主研制的碳離子治療系統,從2014年4月開始安裝,直至獲得國家藥品監督管理局批準上市,歷時5年多。

  “從科研設備到醫療器械產品,完全是兩個概念!弊鳛樵擁椖康娜虆⑴c者,蔡曉紅深有感觸地說。她還通過政協提案的方式,及時反映了重離子技術研發和示范應用過程中急需解決的問題,國家藥品監督管理局因此把重離子治療設備的注冊納入創新醫療器械注冊的綠色通道。

  談及重離子治癌未來的發展,蔡曉紅的愿望是,讓更多腫瘤患者能享受這一新技術帶來的福利。同時,通過超導技術的應用,讓治療設備更加小型化、智能化,以減小占地面積、提高治療效率。

     甘肅新聞網
【編輯:劉薛梅】
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