[科普中國]-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。重離子已開始應用到放射生物學、放射診斷和放射治療等方面。在深入進行重離子核物理基礎研究的同時，重離子在其他學科中已開始有了應用并受到重視。

重離子核反應加速質(zhì)量大于a粒子的離子轟擊原子核引起的反應3 。重離子能夠產(chǎn)生的核反應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有很大差別。重離子相對運動的德布羅意波長（見波粒二象性）很短，典型的量級只有 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60年代中期以來，人們先后通過重離子核反應合成了各種超?元素（Z=102～109），并用于遠離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)的復合粒子，它所引起的核反應機制在某些重要方面同輕離子核反應有很大的差別。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的一個獨特的優(yōu)點。

重離子相對運動的德布羅意波長λ 很短，典型的量級為1/10fm。比原子核的直徑小得多，然而對于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機制可以按照碰撞參量b或軌道角動量l來進行分類,即隨著b或l的減少，兩個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（主要是庫侖激發(fā)）、轉(zhuǎn)移反應（重離子核反應中一般將彈性散射、非彈性散射和轉(zhuǎn)移反應統(tǒng)稱為準彈性散射）、重離子深部非彈性碰撞和全熔合反應(有時隨著b的減小,會先發(fā)生全熔合反應,后發(fā)生深部非彈性碰撞)。

重離子核物理原子核物理學的一個分支學科。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)和運動變化規(guī)律。這是近20多年來原子核物理學的一個活躍的前沿領(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。

重離子放療簡介重離子放療4：重離子放射線的粹點是且有質(zhì)子在放射物理削量分布上的優(yōu)點．又有蓖強烈曲放射生物學效應，具有比質(zhì)子更強的腫瘤殺滅效應，特別對光子和質(zhì)子放射抵抗的|忡瘟，如OO期，s期的腫瘤細胞，乏氧腫瘟細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胞為例，光子消孤它們的荊量至少需要未滅富氧細胞的3格．而重牧早殺滅乏氧細胞的能力是光子的3倍。由于重粒子更強大的放射生物學效應，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)生嚴重的放射損傷。因此，必需應用精確的放療技術(shù)，包括重復性好的患者體位固定裝置，精確的腫瘤定位．

放療劑量的準確給予，圖像引導的放療，運動的腫瘤靶區(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用的放射線是硪離子。重離子的臨床應用主要任日車和德國進行．日本目立放射醫(yī)學研究所(National I∞btute ofRadiological Sciences，NIRS)在1994年開始用對碳離子放療進行臨床試驗。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：細胞肺癌，原發(fā)性肝細胞性肝癌、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)達到和外科切除相當?shù)寞熜В驗樵撝委熓菬o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。所以擴大了腫瘤的治療適應證。

上海市質(zhì)子和重離子醫(yī)院，復旦大學附屬腫瘤醫(yī)院重離子放療巾心正在建設之中，該醫(yī)院將提供患者光子．質(zhì)子和重離子放療，融臺了現(xiàn)代光子放療的三維適形和調(diào)強放療，圖像引導的放療技術(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月動工，預計在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，長約24米的直線加速器?？杉铀俚?MeV/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，是磁場強度會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)過十萬轉(zhuǎn)之后，最高能量達到800MeV/核子（約光速的84%）

材料領(lǐng)域重離子穿透薄膜時，同媒質(zhì)中的電子發(fā)生強烈的庫侖相互作用，電子被剝離幾率大于復合幾率，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)后的不同時刻）測量激發(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）。重離子束的應用給研究原子的內(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。

除了應用于半導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堆或聚變反應堆中釋熱元件和結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷，其效率遠遠超過其他方法。

重離子放射線的醫(yī)學價值重離子放射線4治療腫瘤癌癥是當代公認的先進有效的放療方法，這是由重離子射線獨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，形成一個相對低能量的坪區(qū)；在射程的末端，隨著能量的損失，離子運動速度減慢，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)。治療時把展寬的Bragg峰精確地調(diào)整并套住整個腫瘤靶區(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，實現(xiàn)柵網(wǎng)掃描技術(shù)引導束流對腫瘤實行精確斷層掃描的"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DNA雙鏈進行不可修復的破壞，對于普通光子射線不敏感的乏氧癌細胞，重離子射線同樣可以破壞其DNA雙鏈，導致不可以修復。

基于這樣的兩種特性，可見重離子放射治療的醫(yī)學價值非常巨大，未來會成為腫瘤癌癥的 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或兩臺以上加速器串聯(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?，需要有一個束流輸運系統(tǒng)，對注入器引出束流進行適當?shù)男螤钭儞Q以適合主加速器對束流的要求。此外為減少由于電荷交換而引起的離子損失，對加速器和束流輸運系統(tǒng)要求有較高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在輸運線上應該有電荷分析裝置。 重離子加速器的結(jié)構(gòu)決定了它的調(diào)試和運行是比較復雜的，一般都應配備一個自動控制系統(tǒng)來控制調(diào)試和運行，當然，在加速器內(nèi)和在輸運線上的束流診斷設備是必不可少的。

國首臺自主研發(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外技術(shù)設備

這臺醫(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，達到了設計指標。設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發(fā)的腫瘤類型。