[科普中國(guó)]-重離子

概念

重離子1是指質(zhì)量數(shù)大于4的原子核，即元素周期表氦核以后(原子序數(shù)大于2的失去電子的原子)的離子。2如碳12、氖22、鈣45、鐵56、氪84和鈾238等。重離子已開始應(yīng)用到放射生物學(xué)、放射診斷和放射治療等方面。在深入進(jìn)行重離子核物理基礎(chǔ)研究的同時(shí)，重離子在其他學(xué)科中已開始有了應(yīng)用并受到重視。

重離子核反應(yīng)加速質(zhì)量大于a粒子的離子轟擊原子核引起的反應(yīng)3 。重離子能夠產(chǎn)生的核反應(yīng)種類比輕離子要多得多，并在某些重要方面與輕離子核反應(yīng)有很大差別。重離子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的德布羅意波長(zhǎng)（見波粒二象性）很短，典型的量級(jí)只有 0.1飛米（fm），比原子核的半徑小得多，重離子碰撞過程的典型情況可以利用經(jīng)典粒子碰撞的軌道圖像來描述。20世紀(jì)60年代中期以來，人們先后通過重離子核反應(yīng)合成了各種超?元素（Z=102～109），并用于遠(yuǎn)離β穩(wěn)定線的核素以及高激發(fā)態(tài)、高自旋態(tài)核的研究。從60年代中期到70年代初期，重離子核反應(yīng)逐步成為獲得人工合成超鍆元素的主要手段。

重離子是具有結(jié)構(gòu)的復(fù)合粒子，它所引起的核反應(yīng)機(jī)制在某些重要方面同輕離子核反應(yīng)有很大的差別。人們還可以根據(jù)研究的需要,選擇各種靶核和彈核的結(jié)合，這也是重離子核反應(yīng)的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

重離子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的德布羅意波長(zhǎng)λ 很短，典型的量級(jí)為1/10fm。比原子核的直徑小得多，然而對(duì)于4MeV的質(zhì)子同樣轟擊Th，則 λ≈2.25fm，比重離子的德布羅意波長(zhǎng)大得多。因此，重離子碰撞過程的典型情況可以利用經(jīng)典粒子碰撞的軌道圖像來描述,重離子碰撞過程的反應(yīng)機(jī)制可以按照碰撞參量b或軌道角動(dòng)量l來進(jìn)行分類,即隨著b或l的減少，兩個(gè)原子核的相互作用由表面到內(nèi)部,順次發(fā)生彈性散射、非彈性散射（主要是庫(kù)侖激發(fā)）、轉(zhuǎn)移反應(yīng)（重離子核反應(yīng)中一般將彈性散射、非彈性散射和轉(zhuǎn)移反應(yīng)統(tǒng)稱為準(zhǔn)彈性散射）、重離子深部非彈性碰撞和全熔合反應(yīng)(有時(shí)隨著b的減小,會(huì)先發(fā)生全熔合反應(yīng),后發(fā)生深部非彈性碰撞)。

重離子核物理原子核物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。利用加速到各種不同能量的重離子轟擊原子核，研究核結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。這是近20多年來原子核物理學(xué)的一個(gè)活躍的前沿領(lǐng)域。重離子束也用來研究原子、分子以及凝聚態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1。

重離子放療簡(jiǎn)介重離子放療4：重離子放射線的粹點(diǎn)是且有質(zhì)子在放射物理削量分布上的優(yōu)點(diǎn)．又有蓖強(qiáng)烈曲放射生物學(xué)效應(yīng)，具有比質(zhì)子更強(qiáng)的腫瘤殺滅效應(yīng)，特別對(duì)光子和質(zhì)子放射抵抗的|忡瘟，如OO期，s期的腫瘤細(xì)胞，乏氧腫瘟細(xì)胞和固有的放射抵抗腫瘤，如黑色素癌。以腫瘤中最常見的乏氧腫瘤細(xì)胞為例，光子消孤它們的荊量至少需要未滅富氧細(xì)胞的3格．而重牧早殺滅乏氧細(xì)胞的能力是光子的3倍。由于重粒子更強(qiáng)大的放射生物學(xué)效應(yīng)，因此是把“雙刃劍”。如果重離子照射在正常組織和器官上．也將產(chǎn)生嚴(yán)重的放射損傷。因此，必需應(yīng)用精確的放療技術(shù)，包括重復(fù)性好的患者體位固定裝置，精確的腫瘤定位．

放療劑量的準(zhǔn)確給予，圖像引導(dǎo)的放療，運(yùn)動(dòng)的腫瘤靶區(qū)控制等．使得物理劑量分布和腫瘤的立體形態(tài)保持一致，把劑量集中在腫瘤．而比較少的照射j吉|胃的正常組織和器官。在腫瘤放療中主要應(yīng)用的放射線是硪離子。重離子的臨床應(yīng)用主要任日車和德國(guó)進(jìn)行．日本目立放射醫(yī)學(xué)研究所(National I∞btute ofRadiological Sciences，NIRS)在1994年開始用對(duì)碳離子放療進(jìn)行臨床試驗(yàn)。從1994年6月到2008年2月，NIRS共用碳粒子治療了3819例腫瘤患者．包括4053個(gè)腫瘤病灶，其中前列腺癌762例．肺癌550例，頭頸部腫瘤53 例，骨和贛組織惡性腫瘤491例．原發(fā)性癌307例．直腸癌177例，子宮癌128例，中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘟101例．視網(wǎng)膜黑色素瘤82例．顱底腫瘤52例，食管癌53例，其他腫瘤484例。臨床治療的結(jié)果顯示，砩輔予放療在顱底腫瘤、頭頸腫瘤、tM：細(xì)胞肺癌，原發(fā)性肝細(xì)胞性肝癌、前列腺癌、骨和軟組織由瘤取得了很好的療效。在早期肺癌．肝癌和前列腺癌的腫瘤局部控制率已經(jīng)達(dá)到和外科切除相當(dāng)?shù)寞熜?，因?yàn)樵撝委熓菬o(wú)創(chuàng)治療，有更多的病人將能接受治療，如年邁患者，心、怖、或肝功能不好不能接受手術(shù)的患者。所以擴(kuò)大了腫瘤的治療適應(yīng)證。

上海市質(zhì)子和重離子醫(yī)院，復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院重離子放療巾心正在建設(shè)之中，該醫(yī)院將提供患者光子．質(zhì)子和重離子放療，融臺(tái)了現(xiàn)代光子放療的三維適形和調(diào)強(qiáng)放療，圖像引導(dǎo)的放療技術(shù)等和質(zhì)子和重離子放療的技術(shù)，特別是創(chuàng)造了放射線的筆形掃描技術(shù)．能達(dá)到高度的腫瘤放療適形性，系迄夸為止最高技術(shù)的腫瘤艘療技術(shù)。該醫(yī)院已經(jīng)在2009年8月動(dòng)工，預(yù)計(jì)在2013年下半年開始質(zhì)子和重離子放療。

放療裝置主要大型的加速器是HIMAC公司制造，專用于研究重粒子射線癌癥放療的裝置。

加速器主要有RFQ加速器，直徑為0.6米，長(zhǎng)約7.3米的直線加速器，可加速到800keV/核子（約光速的4%）

ALVARE加速器，直徑2.2米，長(zhǎng)約24米的直線加速器。可加速到6MeV/核子（約光速的11%）、

主加速器偏轉(zhuǎn)電磁鐵，是為了讓重粒子保持在同步回旋軌道上而另其偏轉(zhuǎn)的電磁鐵，是磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著加速能量而改變的交流電磁鐵。

最后是經(jīng)過高頻加速腔，經(jīng)過十萬(wàn)轉(zhuǎn)之后，最高能量達(dá)到800MeV/核子（約光速的84%）

材料領(lǐng)域重離子穿透薄膜時(shí)，同媒質(zhì)中的電子發(fā)生強(qiáng)烈的庫(kù)侖相互作用，電子被剝離幾率大于復(fù)合幾率，所以高速重離子穿過媒質(zhì)薄膜后，將處于高度剝離的激發(fā)狀態(tài)。在薄膜后的不同距離（激發(fā)后的不同時(shí)刻）測(cè)量激發(fā)離子發(fā)射的光譜，可以研究這些激發(fā)態(tài)的特性及壽命（見束－箔光譜學(xué)）。重離子束的應(yīng)用給研究原子的內(nèi)殼層的特性提供了有利的條件，這同天體物理的研究有密切的關(guān)系。

除了應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的制造和材料的表面處理（如改變材料表面硬度、摩擦系數(shù)、抗腐蝕能力）等的離子注入技術(shù)外，重離子束還可用來改變薄膜的性能、制造孔徑為幾納米到幾十微米的核薄膜濾器。用重離子束模擬研究裂變反應(yīng)堆或聚變反應(yīng)堆中釋熱元件和結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷，其效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他方法。

重離子放射線的醫(yī)學(xué)價(jià)值重離子放射線4治療腫瘤癌癥是當(dāng)代公認(rèn)的先進(jìn)有效的放療方法，這是由重離子射線獨(dú)特的物理特性和生物特性所決定的。物理特性是這樣的，碳離子和其他重帶電粒子一樣，具有倒轉(zhuǎn)劑量分布的特性。重離子在貫穿物質(zhì)時(shí)主要是通過與靶原子核外電子的碰撞損失能量，隨著離子能量的降低，這種碰撞的幾率增大。在離子進(jìn)入人體的大部分射程里，巨大的初始能量使離子穿過組織速度很快，因而損失的能量較小，形成一個(gè)相對(duì)低能量的坪區(qū)；在射程的末端，隨著能量的損失，離子運(yùn)動(dòng)速度減慢，與靶電子碰撞的幾率增大，最終在射程末端形成一個(gè)陡峭的高劑量（能量損失）峰，即Bragg峰，其后劑量迅速跌落。Bragg峰位的深度可以通過改變?nèi)肷潆x子的初始能量來調(diào)節(jié)。治療時(shí)把展寬的Bragg峰精確地調(diào)整并套住整個(gè)腫瘤靶區(qū)，是周圍正常的組織只受到很小劑量的照射。利用重離子的帶電性，實(shí)現(xiàn)柵網(wǎng)掃描技術(shù)引導(dǎo)束流對(duì)腫瘤實(shí)行精確斷層掃描的"適形治療"。此外重離子的散射比質(zhì)子和光子小，對(duì)精確的劑量分布也非常有利。

生物特性是這樣的，重離子射線直接對(duì)DNA雙鏈進(jìn)行不可修復(fù)的破壞，對(duì)于普通光子射線不敏感的乏氧癌細(xì)胞，重離子射線同樣可以破壞其DNA雙鏈，導(dǎo)致不可以修復(fù)。

基于這樣的兩種特性，可見重離子放射治療的醫(yī)學(xué)價(jià)值非常巨大，未來會(huì)成為腫瘤癌癥的 主要治療手段之一。

重離子加速器離子加速器5是指用來加速比α粒子重的離子加速器，有時(shí)也可用來加速質(zhì)子。通過重離子加速器可以將大量的重離子加速到很高的速度，甚至接近光速，高速的重離子形成重離子束，用于開展重離子物理研究。

在世界上多數(shù)新建和改建的重離子加速器是等時(shí)性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列靜電加速器。為了得到較高能量，很多新建的裝置采用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上加速器串聯(lián)起來。構(gòu)成重離子加速器系統(tǒng)，一些是串列靜電加速器注入到回旋加速器或直線加速器，另一些是兩臺(tái)回旋加速器串聯(lián)。

為了把束流從注入器傳輸?shù)街骷铀倨?，需要有一個(gè)束流輸運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)注入器引出束流進(jìn)行適當(dāng)?shù)男螤钭儞Q以適合主加速器對(duì)束流的要求。此外為減少由于電荷交換而引起的離子損失，對(duì)加速器和束流輸運(yùn)系統(tǒng)要求有較高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在輸運(yùn)線上應(yīng)該有電荷分析裝置。 重離子加速器的結(jié)構(gòu)決定了它的調(diào)試和運(yùn)行是比較復(fù)雜的，一般都應(yīng)配備一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來控制調(diào)試和運(yùn)行，當(dāng)然，在加速器內(nèi)和在輸運(yùn)線上的束流診斷設(shè)備是必不可少的。

國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的醫(yī)用重離子加速器成功出束。這意味著腫瘤患者的重離子放射治療將不再依賴國(guó)外技術(shù)設(shè)備

這臺(tái)醫(yī)用重離子加速器位于甘肅省武威市，2012年5月開始研制。目前已實(shí)現(xiàn)每核子400兆電子伏的碳離子束加速及非線性共振慢引出，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)備可用于腫瘤患者的重離子放射治療，尤其是疑難、不宜手術(shù)、使用其他治療手段易復(fù)發(fā)的腫瘤類型。