文/整理 李荔

　　重离子射线能把能量沉积在射程末端，这种治疗方式对射线沿途的细胞损伤很小，几乎没有副作用，病人没有疼痛感，癌症的治愈率也比较高。
 

　　它能探寻宇宙奥秘，研究物质起源，它能制造出核电站和医学用的各种放射性同位素，还能治疗癌症，诱变育种，究竟是什么科学“怪物”有这么神通广大的本领呢?它就是科学界声名显赫的重离子加速器。

　　能敲开原子核的“大家伙”

　　像水果有核一样，原子的中心也有个核，不过它只有原子直径的万分之一左右，却占了原子的几乎全部质量。科学家相信，宇宙万物，包括我们生命的最后秘诀都藏在这颗小小的神秘城堡内。

　　核物理学家要敲开小小的原子核，看看里面到底有些什么东西，而敲开原子核的得力“助手”就是重离子加速器。

　　在甘肃省兰州市一座看似平常的科学大院里，隐藏着能探寻宇宙奥秘的大科学装置—重离子加速器。在这座硕大的地下迷宫中，核物理学家、中国科学院近代物理所所长肖国青已经工作了30年。他说：“重离子加速器就相当于一门大炮，这个大炮很重。像这台重离子分离扇加速器由四个分离扇磁铁所组成，每一台分离扇磁铁重达500吨。而加速器要加速的炮弹实际上是离子，约10-15米。它要轰击的靶子也很小，是原子核。”

　　重离子加速器的任务就是要给原子核加速，然后让它去撞击另一个原子核。但是如果每次只发射一个“子弹”， 那命中的几率微乎其微。只要不吝啬炮弹，每秒钟成万上亿发的打出去，才有希望命中一些原子核。

　　不过原子核可不容易被打碎。原子核之间有一种互相排斥的力量，炮弹能量不够就会被推开，即使炮弹克服了原子核之间的排斥力，仍有可能被弹开。究竟需要达到怎样的力量，才能攻克原子核这个坚固的堡垒呢?

　　为了把原子核打碎，就必须把原子核的能量进一步地提高10倍，比如说光速的几分之一甚至是接近光速，这样的话就可以克服库仑力和核力而把原子核打碎。一旦原子核被击中,原子核内部的信息就会立刻被捕获，供核物理学家研究。如果科学家从中发现新核素的话，那将对人类做出重大贡献。

　　大机器能治愈癌症

　　王军是一位肺癌晚期的七十岁老人，在经过化疗放疗后，有所好转的病情突然复发，生命迹象变得极其微弱。

　　“这次打算采用一种新型的放射治疗技术，叫重离子放射治疗。”兰州军区兰州总医院放疗科主任李莎说：这项技术在世界上都是一种比较先进的技术，但在国内才开始做，前期治疗了一些病人，效果都不错。不过每一种治疗技术都可能有作用，也可能有负反应，这是跟每个人的个体差异是有一定关系的。

　　如今，王军术后都5年了，现在他又能像以前一样做一些小家具，展示一身的手艺。目前，兰州重离子加速器上总共进行了213例的肿瘤治疗，其中前列腺癌的治愈率达到100%，在国际上被誉为21世纪最理想的放疗用射线。

　　这台大科学装置究竟与癌症治疗有什么关系呢?“对肿瘤来说，重离子加速器成了可怕的对手。”肖国青表示，加速器就是一个磁场和电场的组合体，能把离子进一步的加速，同时又要把它输运到需要的地方。只有离子束经过层层考验，它们才会被科学家用作不同的领域。如果把离子束引向癌细胞，那它就是癌症的天敌，能够瞬间杀死癌细胞。

　　肖国青说：“我们可以把碳离子束加速到每核子100MeV，它就可以治疗3个厘米深的这种肿瘤，也就是我们常说的皮肤癌，但是我们要治疗深层肿瘤时，就需要再进一步加速，用同步加速器可以把碳离子加速到每核子300-400个MeV，这样的话就可以治疗10 个厘米深或30个厘米深的肿瘤。”

　　常规放疗射线进入人体后，由于能量主要损失在浅表部位，人体表层的正常组织会受到伤害。而重离子射线能把能量沉积在射程末端，这种治疗方式对射线沿途的细胞损伤很小，几乎没有副作用，病人没有疼痛感，癌症的治愈率也比较高。

　　近代物理所从1993年开始重离子治疗肿瘤的研究，从2006年开始，近物所先后完成了浅层和深层临床治疗试验，使中国成为继美国、日本和德国后，世界上第四个掌握重离子治癌技术的国家。

重离子束治癌

　　世界最迷你“医用重离子加速器”中国造

　　中国科学院近代物理所研究员杨建成说：“现在欧洲、日本和美国，它都有自己的重离子治癌的相关设备，而且申请了很多技术专利，所以我们要发展具有自主知识产权的一个重离子装置的话，第一必须要有自己的特色。第二要避开他们已经申请的一些专利的限制。”

　　近代物理所的研发团队要建设一台中国自主研发的医用重离子加速器，这个大胆的想法引起了很多人的质疑和反对，万一不成功，那耗费的时间、精力和资金都有可能是无法挽回的。杨建成表示，重离子加速器的设计至关重要，牵一发而动全身，如果设计不好，离子束的能量不仅达不到，也会存在辐射的危险。为了医治更多的癌症病人，中科院近代物理所决定研制一台医用的重离子加速器，现在研究团队就在为这台专用装置的设计而忙碌着，然而他们却想打破常规。

　　在设计之初，研究团队就考虑了各种各样的因素。医用加速器与其他做科研的大科学装置不同，设计除了要考虑可靠性、安全性之外，还要重点考虑它的造价以及可推广性。并且它要能给更多的病人提供治疗的同时，也应节约治疗费用。

　　历经一个多月的昼夜奋战，杨建成终于得到了一个好的设计灵感。该装置同步加速器部分的周长约为56米，是目前世界上最紧凑的重离子治疗专用装置，它有4个治疗终端，有利于人体不同部位肿瘤的治疗，可覆盖99%的人体肿瘤病例，这给更多的癌症病人增加了治愈的希望。且这次设计采用的是比较独特的8个二极磁铁结构，而这样的结构有别于德国和日本等国家的设计。如今，杨建成团队设计的这台“大科学装置”成为我国第一台拥有自主知识产权的国产医用重离子加速器，预计首台于今年12月份就可以投入使用。

甜高粱新品系

　　重离子可诱变出“好种子”

　　重离子加速器不仅可以治疗癌症，它还可以育种。重离子诱变育种就是利用重离子束，将种子的DNA损伤，引起种子的基因突变及表型变异，然后从中筛选出科学家希望得到的突变体，来培育新的品种。

　　如果有一种植物，既能解决西北人民的粮食问题，又能解决沙漠化的问题，岂不是两全其美?中国科学院近代物理所植物育种研究团队从2006年开始，就想利用重离子加速器来解决这一问题，但直到2013年，才得到近甜1号的品种认定证书，拿到这个品种，他们用了整整七年，培育了十代。

　　经过重离子加速器辐照诱变的甜高粱种子，有的会在成长中死掉，有的则会很强壮，研究人员必须从几千粒种子中选择出最优异的一颗。

　　研究团队通过辐照诱变获得的甜高粱，用水量是玉米的三分之一，而且甜高粱根里面的糖分是其他甜高粱品种的四倍，微生物极易分解，这对沙漠土壤的改良起到关键作用。经过四五年甜高粱的种植，这片沙地就会变成肥沃的土地，能种植玉米小麦等对土质有高要求的作物。到目前为止，仅甘肃省就已经种植了50万亩左右的甜高粱。

　　原子核数据中国说了算

　　1957年的春天，著名核物理学家杨澄中从北京带领着20多名科技人员来到兰州，开始研究原子核物理。1962年，成功建成了“一五”时期前苏联援建我国的重大项目之一：1.5米经典回旋加速器。在1967年到1970年期间，又为我国“两弹”的研制做出了贡献。2007年，国家“九五”重大科学工程—兰州重离子加速器冷却储存环建成并投入运行。在冷却储存环上，还可以精确“称量”原子的质量。

　　其实，原子核的质量非常难测量，因为它很轻，两万亿个铁原子的质量比一颗小米还要轻，它的寿命又很短，我们眨一下眼睛，一个不稳定的原子核或许就会衰变十几次，但是近代物理所的科学家却突破了这一科学难题。

　　肖国青说，“现在我们已经在重离子加速器冷却储存环上测量了30多个核，也是世界上首次测量了这三十几个核的精确的质量。”不仅如此，近代物理所的科学家还提高了50多个原子核的质量精度。这样的测量成果在国际科学界引起了不小的轰动。2013年，国际原子核质量评估中心由法国移交近代物理所管理，也就是说原子质量数据以后将由中国近代物理研究所发布。

　　现如今，近代物理所又接受了一项新的任务，建设强流重离子加速器装置，新的重离子加速器的流强将比现有的强10000倍。不仅能开展更多领域的科学研究，新的重离子加速器势必会为我国科技进步和人类社会发展贡献更多的力量。■

　　(本文整理自：中科院科学传播局与央视科教频道联合制作的《科学重器—走进中国科学院大科学装置》系列节目)。