靳根明

中国科学院近代物理研究所

研究原子核的目的，首先在于了解原子核的性质，扩展人们的认知范围，更重要的是要利用原子核，以及在研究原子核过程中积累的与原子核相关的技术，为人类社会的进步和大众的身体健康作出贡献。

不稳定原子核衰变过程中可以放出能量，两个轻原子核的聚变过程中也会放出能量，据此，发展出了核武器，裂变反应堆和聚变装置，以及小型的核电池。天然放射线和人工射线，包括X射线，γ射线，β射线，α射线，以及人工制造的中子，质子和重离子束流，都可以用来为人们服务，例如分析物质成分，探测物质内部的缺陷，查探密闭空间内的物件。更重要的是这些射线在医疗领域有更广泛的应用，例如成像诊断，肿瘤治疗等。射线束，特别是离子束流还可以在培育植物新品种方面发挥重要作用。离子束在航天领域也有大显身手的空间。

一 原子核的威力

原子核裂变可以放出巨大的能量。一个235U原子核吸收一个中子后裂变成两个碎片并释放2~4 个中子，同时放出约200 兆电子伏特(MeV)的能量。按此计算，1 千克的235U有大约2.6×1024个235U原子核，它们全部裂变所释放的能量相当于2 万吨TNT炸药爆炸时释放的能量。235U 的自发裂变几率约0.72%，因此，当大量的235U聚集在一起时，就能够在瞬间自发地发生连续的裂变反应，如图1，称为链式反应。

图1 链式反应示意图

轻原子核，如氘和氚原子核，在很高的温度下，可以发生聚变，同时放出巨大的能量。一个氘核和一个氚核在高温下生成一个4He 原子核和一个中子，同时放射出约17.6MeV的能量。1 千克的氘核与1.5 千克的氚核全部发生聚变，所放出的能量相当于将近20万吨TNT炸药爆炸时释放的能量。

这样巨大的能量可以用来为国家的国防和经济建设提供重要的支持!

核武器 包括利用核裂变(235U或239Pu)作为弹药制造的原子弹，和用氘-氚作燃料的核聚变制造的氢弹等。核武器是一种利用核裂变反应(原子弹)或聚变反应(氢弹)，使原子核在瞬间放出巨大能量，包括热能和核辐射，从而造成大规模杀伤的武器。大家都知道，现有核武器的国家有美国、俄罗斯、英国、法国、印度、巴基斯坦、朝鲜和以色列等，我国在1964 年就爆炸了第一颗原子弹，1967 年又爆炸了第一颗氢弹。从那时起，任何国家再也不敢轻视我国。

裂变核反应堆 是核电站的关键设备之一，它利用235U作为燃料，为发电机提供能源，同时也是一个很强的中子源。在反应堆中，将235U的裂变过程控制在适当的程度，以获得足够的热能供发电设备使用。经过70 多年的努力，现在已经发展到第三代反应堆为主的时期，它具有很高经济性和安全性。第四代核裂变反应堆正在研制。我国具有自主知识产权的第三代核反应堆已经得到应用，如福清核电站华龙一号核反应堆和红沿河核电站二期工程使用的ACPR1000 反应堆。2022 年，全世界共有437座反应堆在运行，年发电总量约2679 TWh(2.68 万亿度)。2022 年，我国大陆地区有55 台核电机组在运行，核发电量约4200 亿度，占全国发电量的约5%。今后几年，我国核电将会有更快的发展。到2035年，核电有望占我国总发电量的10%左右。

图2 裂变反应堆结构示意图

受控核聚变 氢弹是利用氘和氚聚变反应瞬时放出的巨大能量，以杀伤敌方的武器。受控核聚变是氘氚核反应在可控制的条件下，缓慢地进行，使其放出巨大能量供发电使用。受控核聚变的研究已经有七八十年的历史。由于其技术上的复杂性和苛刻要求，至今还在进行之中。理论上，实现受控核聚变的方法有磁约束和惯性约束(激光惯性约束和重离子惯性约束)。目前，磁约束装置主要以托克马克型磁约束装置为主。它利用特殊的环形磁场约束氘氚等离子体，并使其在磁场中循环流动，形成电流环，同时不断被磁场加热(图3)。几个国家都建造了磁约束聚变装置，例如俄罗斯、英国、中国、日本等。多国联合建造的磁约束聚变实验装置ITER 正在进行当中。中国科学院等离子体研究所建造了全超导磁约束聚变装置，在2023 年4 月实现了世界上最长的403s 的稳态长脉冲高约束模式运行。

图3 核聚变堆示意图

惯性约束是利用外部能量(激光或重离子束)将小弹丸内的氘氚混合气体压缩(加热)到聚变的密度和温度，从而发生核聚变(图3)。

在激光惯性约束研究方面，美国LLNL联合实验室的NIF 装置是一个典型代表(图4)。NIF 采用间接驱动构型。将含有氘和氚混合物核燃料的毫米级靶丸封闭在黑腔中，用192 束激光同时照射黑腔的内壁，产生强烈的X射线，以烧蚀靶丸的外表面，快速喷射出的等离子体反向压缩核燃料，首先使燃料中心的密度和温度达到聚变反应所需，并开始聚变反应。聚变反应会从中心开始向外传播，从而燃烧周围的燃料。经过长期研究，终于在2022 年8 月，利用192 束大功率激光同时照射毫米量级的靶丸，不仅实现了点火，而且也第一次实现了能量输出，但输出的能量只有输入能量的70%。在2022年12 月的实验中，将输出能量与输入能量的比值(能量增益)提高到154%。

图4 激光聚变的靶丸(a) 和NIF 装置工作

二 放射线在医疗领域的应用

医疗领域也是放射线发挥重要作用的地方。很早，X射线用来透视人体成像，后来又发展出各种各样的辐射成像设备，如CT、PET、MRI 等，这为患者体内伤病的正确诊断提供了重要支撑。在疾病的治疗方面，特别是癌肿的治疗，射线也发挥着重要作用。除了利用各种放射源(β射线源、α射线源)治疗外，X射线和伽马射线是治疗肿瘤常用的射线。质子束流很早就用来治疗癌肿，并取得了很好的效果。

近20 多年来，又发展出了重离子束治疗癌肿的放射治疗方法，通过50000 多例的治疗，证明了重离子治疗是目前最先进的放射治疗方法。

为什么重离子治疗会成为最先进的放射治疗方法?

癌症是一种当前多发的疾病，据世界卫生组织2023 年报告，2022 年中国新增病例482 万;新增死亡人数320 万。这不仅给患者带来了身体上和精神上的痛苦，也给患者的家庭造成了沉重的经济负担，同时，也给社会带来了很大的损失。因此，对癌症的预防和治疗成为社会上广泛关心的问题。

1. 癌肿治疗方法

人们与恶性肿瘤进行了长期的斗争，积累了多种治疗肿瘤的方法。目前，针对癌症的治疗手段有手术，化学药物治疗，放射治疗，还有靶向治疗，免疫疗法，以及中医治疗。甚至还可利用几种治疗方法进行联合治疗。

放射治疗就是使用高能X射线，γ射线，中子(这些都是非带电的粒子)，以及带电离子，包括质子和重离子对肿瘤进行治疗。放射治疗的基本原理就是利用上述的射线照射肿瘤，产生许多次级电子和一些自由基(外围拥有不成对电子的原子、分子和基团)，这些次级电子和自由基再轰击肿瘤细胞的DNA，使其发生单链和双链断裂，如果这些断裂，特别是双链断裂不能修复，就会导致癌细胞的凋亡或死亡(图5)。目前，在放射治疗中，重离子治疗已成为最先进的治疗方法。下面就着重介绍一下，为什么重离子能够成为最先进的治疗方法。

图5 射线杀死癌症细胞的原理

2. 重离子束的优势

什么是重离子呢?原子都是由原子核和核外电子(其数目等于原子核内的质子数目)组成，不带电。如果原子失去(获得)了一个或多个电子，就成为了带正(负)电荷的离子。重离子是指比氦离子重的离子(图6)。放疗中使用的重离子都是带正电荷的。

图6 原子、离子和重离子示意图

重离子的物理特性

那么，与不带电的射线相比，重离子和质子有哪些优点呢?

首先，重离子在物质中穿行时可以撞出很多能量很高的电子(图7)，而常规射线(X 射线和γ射线)，只能撞出很少的低能电子。有一定能量的电子与DNA分子碰撞时，会导致其DNA的单、双链断裂。电子与别的分子，如水分子的碰撞会导致其电离，从而产生自由基，这也是导致DNA双链断裂的因素。实验证明，适当能量的重离子照射细胞时不仅能致使许多细胞内的DNA双链断裂，而且还能够在同一个DNA上产生多处双链断裂。X射线或者γ射线照射时多数是导致DNA的单链断裂，产生双链断裂的几率只是单链断裂的百分之几，且随着X射线能量的升高，这些断裂数还会降低。例如，每个核子能量为2 MeV的碳离子穿过细胞DNA时产生的双链断裂数约是18 MeV的X射线的近百倍。单链断裂几乎都是可以修复的，双链断裂的修复几率则很小，特别是要同时修复多处双链断裂，几乎是不可能的。DNA双链断裂不能修复的结果就是导致细胞的凋亡或死亡。

图7 碳离子在水中穿行时产生的次级电子径迹

第二、重离子在物质中的特殊能量沉积分布——布拉格峰。重离子在物质中穿行时，主要是通过与电子的碰撞损失其能量，最后停止下来。能量高时与电子碰撞的几率小，单位路程上损失能量少。在能量低时，单位路程上损失能量多，从而会电离出更多的电子。这种性质使得它在其射程末端附近沉积在物质(肿瘤)中的能量要比它高速穿行时大得多，形成了一个明显的能量(剂量)沉积峰——布拉格峰(如图8)。而X射线则相反，其剂量沉积是以入射粒子数量的减少为代价的，以至于剂量的沉积随入射深度增加而快速降低(图8)。因此，利用X射线照射深部肿瘤时，要使肿瘤接受到足以致死的剂量，那么表层所受剂量早已超过限度，从而使肿瘤前面的部位受到严重损伤。即使是利用伽玛刀技术，也不可能减少肿瘤以外的健康组织所受的总剂量，只是将其分散到不同的部位而已。

图8 各种射线在物质中穿行路径上的能量沉积分布

第三、一定能量的重离子，包括质子都有确定的射程，且横向离散度很小。例如初始能量每个核子300 MeV的碳离子在人体中的最大射程约为18cm，不确定度仅为0.5%，横向发散仅为~2 mm。这使得能够根据肿瘤在人体中的深度选择离子的初始能量，以便能够将布拉格峰的位置恰好落在肿瘤部位。而X射线和伽马射线在穿过物质时，随着深度的增加，强度只会以指数形式迅速减少，且离散度很大(图9)。

图9 重离子和γ 射线在物质中穿行时的发散程度及粒子数量变化的比较

第四、重离子带电，因此，可以利用磁场和电场很好地控制重离子束的方向和聚焦。这使得重离子束的照射界限非常清晰明确，被照射肿瘤周围的健康组织受到更少的辐照剂量，为精确治疗的实施提供了便利条件。

还有一点，就是较高能量的重离子与其他原子核碰撞时，会产生少量具有正电子放射性的短寿命原子核，而且这些新原子核的射程与原重离子的射程基本相同，它们衰变所放出的正电子与物质中的电子相遇变成两条反向而行的伽马射线。这为实时监测重离子是否准确照射到肿瘤位置提供了便利条件(图10)。

图10 重离子与原子核碰撞产生少量放射性原子核可用于其停止位置监测

重离子辐照时的生物学特性

首先，重离子布拉格峰附近的生物学效应大。所谓生物学效应是指与X射线相比而得到的一个指标：同样杀死50%的细胞，利用X射线照射时所需剂量与利用重离子照射所需剂量之比。生物学效应与其单位路径上沉积的能量(LET)有关。实验证明，生物学效应的峰值在LET 在30~200 keV/μm的范围内，在其他LET 时，则很小。高能碳离子穿过人体时的LET小，而在其接近射程末端时的LET要高得多。因此，碳离子的布拉格峰附近，其生物学效应在2.5~3 以上(图11)。这意味着同样杀死50%的细胞，所需重离子的剂量只是X射线剂量的三分之一左右。但是，重离子布拉格峰前的区域(坪区)的生物学效应则接近1。

图11 各种粒子的生物学效应的比较

其次，重离子照射肿瘤细胞时的氧增比小。氧增比是指细胞在有氧情况和无氧情况下达到相同生物学效应所需的剂量之比。有的癌细胞里面含氧量少，即厌氧的，它对X射线不敏感，难以杀死。但是重离子对这类癌细胞的致死率相比其他癌细胞，没有明显的差别，即对有氧及缺氧的肿瘤细胞具有相同的杀伤作用。

再者，处于不同发育周期时相的细胞(细胞分裂有四个时相)，对重离子照射的敏感性在布拉格峰附近没有多大差别。只是在剂量沉积曲线的坪区稍有差别。

图12 细胞发育的不同阶段

还有一点是也是非常重要的，即实验证明，在布拉格峰位置附近，重离子所造成的DNA双链断裂不容易修复，而X射线所造成的DNA双链断裂，则随X射线路径的增加其修复效应呈现增加趋势。

为什么在诸多重离子中选用碳离子治疗肿癌呢?原因很简单，碳是人体中大量存在的元素;碳离子的布拉格峰与坪区的沉积能量之比足够高;高能碳离子在人体中穿行时，产生的其他较轻的原子核较少，使得在其射程之外的沉积剂量较少;碳离子产生的极少量正电子放射性核(碳-10，碳-9)可以用来监测其布拉格峰位置。

与X射线治疗相比，除了上述优点外，重离子治疗时，其分次照射的依赖程度低，而且能够抑制肿瘤血管生成，有强的免疫应答，还可以与靶向治疗形成协同作用。

总之，重离子的这些物理特性和生物学特性，使得利用重离子治疗肿瘤比利用X射线有明显的优越性：治疗精确度高，治疗时间短，治疗效果好，副作用小，适用范围广。因此，在世界范围内都受到广泛的重视。表1 中列出了世界上现有开展重离子治疗的医疗机构。

表1 世界上现有开展重离子治疗的医疗机构

鉴于重离子治疗的众多优势，早在1975 年，美国伯克利实验室就开始重离子治疗肿瘤的基础研究，并开创了重离子治疗肿瘤的先例。1994 年日本国立放射科学研究所(NIRS)建成了医用重离子加速器(HIMAC)，开始正式利用碳离子进行重离子治疗肿瘤。1997 年德国GSI 也开展了碳离子束治疗肿瘤的基础和新技术研究，并设计实施了点扫描的束流提交系统，进一步提高了重离子治疗肿瘤的精确度。现在世界上已建成投入使用的利用碳离子治疗肿瘤的医疗机构有十多家(见表1)。还有好几家治疗设施正在建设之中。中科院近代物理研究所从1995 年起，逐步开展了重离子治癌的基础和技术研究，并在HIRFL 上共治疗了213 例患有浅层或深层肿瘤的患者。经过20 多年的努力，不仅掌握了重离子治疗的基础知识和技术，而且，研制了先进的治疗装置，获得了60 多项专利。于2015 年在甘肃省武威市建成了我国第一台重离子治疗装置，经过多次改进和完善，2019 年国家药监局批准上市，2020 年正式投入临床使用(图13)。该装置的同步加速器周长仅为56.17 米，是世界上最小的重离子治疗专用同步加速器(日本的63 米，德国的72 米)。加速器可提供最高能量达每个核子400 MeV的碳离子，它在人体中的最大射程达到27 cm，这可以满足体内任何部位的肿瘤治疗所需。射程步长的调节精度为2 mm，在200 mm*200 mm的照射野内的剂量均匀度达到95%以上。水平、垂直治疗终端各1 个，45°治疗终端1 个，水平与垂直联合治疗终端1个。可以实现主动扫描和被动扫描的治疗模式。同期，还编写了中国《离子治疗指南》(已颁布)、《医用质子、重离子加速器质量控制指南》。近期，国内又有多家医院决定建造重离子治疗设备。

图13 武威重离子治疗肿瘤装置模型

根据PTCOG(国际粒子治疗协作委员会)发布的最新数据，截至2021年底，全球共有325000例患者接受了离子治疗，其中接受质子治疗的患者280000例;接受碳离子治疗的患者42000 例。目前，我国上海质子重离子医院已经利用碳离子治疗了近6000位肿瘤患者，武威重离子治疗中心也已治疗了上千例肿瘤患者。