你知道重离子加速器吗？作为发达国家才具备的大科学装置，它在研究核物理和核模型上起到了重要的作用。那么，大科学装置在交叉领域起到了什么作用？又对我们的国家和社会有哪些贡献呢？

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以下内容为中国工程院院士、中国科学院近代物理研究所夏佳文演讲实录：

讲者声明：本演讲涉及的所有临床案例 ，均为遵照国家相关法规开展的临床研究。武威重离子治疗装置于2020年3月26日正式运营，用于收治病人。

今天我给大家介绍的是为什么要建造重离子加速器。

我们在中学都学习过元素周期表，在元素周期表上，每一种元素都是以中性原子存在的，原子核外面有电子，如果将核外的电子剥掉，它就形成离子，也就是带正电的原子核。

自然界中有射线与重离子。什么是射线？比如太阳光、日光灯属于射线，还有医院使用的放疗射线，如X射线、光子等。

射线是没有质量的，在放疗时，医生用的最重的粒子就是电子，但是电子的质量很轻，而重离子的质量很重，差距明显。

比如最轻的离子（也就是质子）的质量是电子的1836倍，碳离子是电子质量的22000倍。什么是重离子？就是指它的重量而言。

将重离子加速到很高的能量，再去打原子核，做相关的科学研究，这样一个复杂的电磁装置可以简单把它理解为是一个离子大炮。

中国的重离子加速器

重离子加速器是全世界发达国家才具备的大科学装置，比如美国、欧洲、日本、德国等。

在我们国家兰州也有这么一台大科学装置，这台大科学装置是分三个“五年计划”完成的，分别是在60年代、80年代和90年代。经过这三个“五年计划”的建设，从重离子能量来看，这个大科学工程在世界上排第4位，在亚洲排第一位。

这个大科学装置能用来干什么呢？从核素图上看，元素周期表上所有的元素就是这中间的一条黑线。

横坐标是中子数，纵坐标是质子数，这条黑线叫稳定线，偏离稳定线的两边有很多核素，理论预言有8000多种，可是现在人类才发现3000多种。偏离稳定线的核素图的边界在什么地方，超出元素周期表还有没有其他元素？这是核物理学家的研究目标。

为什么要研究这样一些核物理呢？因为只有了解了这些核物理，我们才能够完善现有的核理论、核模型，最终彻底“驾驭”原子核，让原子核为人类做贡献。

在兰州就有这么一个大科学工程。“一五”时，这个大科学工程的最大贡献就是为我国两弹爆炸作基础数据研究的，在两弹爆炸之后，它的历史使命就完成了。

后来划归到中国科学院做核物理基础研究。在“十二五”期间，国家又布局了两台大科学工程，落户广东省惠州市惠东县，建设周期是7年。

第一个大科学工程叫强流重离子加速器，主要目标是解决原子核物理前沿科学问题，进一步研究原子核内部的结构，元素的起源和宇宙能量的起源。

元素周期表上，比铁轻的这些元素，在宇宙当中是怎么形成的，科学家已经把它搞得非常清楚。但比铁更重的元素，比如说金、银、铜或者是铀，即核电站燃烧的“铀”，这些元素，在宇宙当中是怎么形成的，科学家是不清楚的。我们建这个大科学工程主要是为了搞清楚类似的科学问题。

第二个大科学工程是加速器驱动嬗变装置。这个装置是干什么用的？核电站是烧的铀235这种铀材料，但核电站发电后会剩下很多核废料，现在人类处置方式是怎样的呢？就是把它浓缩，运到一个荒芜人烟的地方埋起来，埋起来之后，这个地方千年万年都不能去人。

有人做了一个预测，2030年，咱们国家的核电总装机容量有可能是全世界的总和，将会产生大量的核废料。如果都把它埋起来，那就要找很多地方，将来埋的地方越多，咱们子孙后代生存的环境就越严峻，这是一个很严重的问题。

这个大科学工程就是为了解决这件事情规划的。通过将核废料放到一个特殊炉子里，再建造一个强流的加速器产生很多的中子，让核废料继续燃烧，同时也是一个继续发电的过程。

燃烧之后，原来的毒性是千年万年的，可以把它变成几百年或者是几年，原来是几百年的毒性有可能变成几年几天，就大大减弱了毒性，就可以彻底解决这件事情。核能才会真正变成人类绿色安全的千年能源。

在交叉领域中的应用

大科学装置在科学上有它的贡献，那么对国家、社会有什么作用呢？

大科学装置是国家战略科技力量储备，是新原理、新技术、新方法、新工艺的创新摇篮，在整个大科学工程建造过程中，可以派生很多的新技术，广泛应用于国防、工农业、人民生活健康等。

首先是在航天等交叉领域的应用。天上的卫星在太空中都会受到辐射，包括北斗卫星、宇宙飞船、嫦娥等飞行器的元器件，所以它们在上天之前需要做离子检测。

如果不做离子检测，上天之后受到离子照射就有可能会发生翻转，出现控制失灵，数据、图像传不回来等情况，所以在上天之前必须经过离子的检测进行加固。

第二是核孔膜的应用。核孔膜是什么意思？就是把膜的孔做成原子尺度大小，可以做成锥形、圆柱形。它可以拿来做什么用呢？比如生病了，到医院动手术，动手术就有可能要输血。普通老百姓都会害怕输血，因为怕传染上病毒，如果用核孔膜进行过滤就有可能解决这些问题。

核孔膜还可以用来防雾霾，做纱窗和做口罩，还可以用于海水淡化，通过核孔膜过滤就可以达到饮用水的标准。

同时我们电动汽车用的电池，如果用核孔膜做电池的隔膜，就可以大大增加它的安全性和电池性能，当然还有很多其它用途。

在生物农业中的应用

此外，还有农业上的应用。大家都知道，太空辐照诱变育种，就是将种子拿到卫星上，经过太空辐照，完成诱变育种。重离子育种的基本原理也是一样的，但它有一个区别，就是重离子的突变谱非常宽，可以产生更多高产、抗病虫害、耐高寒的种子。

我们在河西走廊做了一个小麦品种，推广面积达到800余万亩，不但保持味道好，而且增产了12%。

新疆种植了大量棉花，种植面积一望无际，但每年丰收的时候，需要很多人进行采摘，劳动量非常大，非常辛苦。于是我们做了一个新品种，让棉花少长叶子，多长棉桃，并且棉桃长得更大一点，这样就可以实现高产，并方便采摘。

还有一些比较极端的情况，比如在南方种植蓖麻，可以不用长叶子，直接长蓖麻。

或者用来做花卉，也可以将叶子变成花，将花的颜色变成五颜六色，并且花的颜色可以随着春夏秋冬的温度变化而变化。

甘肃是中药材大省，用重离子辐照诱变育种，我们也做了一些新的品种，比如让党参长得更粗、更大一些，药性更厉害一些。

另外一个非常成功的案例就是甜高粱，这个高粱不结高粱，只长秆，长5米多高，比3个人都高，这个秆长得跟广东的甘蔗一样粗，但榨出来的汁的甜度是甘蔗的1.3倍。它只需要充足的阳光和很少的水分，在沙漠里就可以进行种植，并且它的产量很高，每亩可以产7～8吨重。

这是2015年拍摄的一张卫星照片，在腾格里沙漠，我们在这一片种植了5千亩左右的甜高粱，从卫星图上看到，它在沙漠上已经形成了一片绿洲，不但是经济作物，还可以起到防风固沙的作用，因为它的根系很发达，可以在沙漠里面扎根一米多深。

种植甜高粱也不用现成的耕地，把沙漠的沙推平，种子一撒，稍稍浇点水就可以生长。同时，我们在种植区旁边建了工厂，进行压榨，榨完汁以后，渣可以继续发酵，拿来当牲畜饲料。

这张图片就是在腾格里沙漠边上的一个养殖区，养殖了1万多头奶牛。

这是奶牛挤奶的场景，一个大厅有多个转盘，每个转盘可以容纳80头牛同时挤奶。整个过程都是在无菌环境下进行的，生产出来的奶也是无菌的，以后咱们的孩子喝奶不用再到国外买了。

在医疗领域中的应用

最后一个方面是重离子加速器在医疗领域的应用。核技术在医院已经得到广泛应用。我们到医院去看病，就会用到很多核技术。不管是拍片子，还是超声波、X光机、核磁共振、CT等都是核技术。

今天着重说的是用重离子治疗肿瘤的技术。

一般得了肿瘤，要么就是开刀，要么进行放疗、化疗。这张照片是从网络下载的一个得了鼻咽癌的小女孩，鼻咽癌也是广东易发病种，经过5个月普通的放疗和化疗，就是刚才说的轻子射线放疗，5个月以后，一根头发也没有了，眉毛也没有了，只剩下一根眼睫毛。

这是一个对比图，光子打到人的体内，它到达肿瘤区能量已经降低了，大量的能量在穿透的过程中损失掉了，破坏了大量的健康组织。

普通的放疗是用光子或者是X射线杀死癌细胞，但与此同时，它要杀死更多的正常细胞作为代价，所以它的副作用很大，头发没有了，眉毛也没有了，还有可能出现恶心、呕吐。

第二个就是质子，质子比光子要好一些，虽然它在穿透的过程中，对正常细胞也有一定的损伤，但比光子好多了。重离子穿透过程中，比光子、质子更好，它在穿透过程中对健康组织损伤是最小的。

而且质子和重离子有一个更好的好处，穿过肿瘤区后，对健康组织还有保护作用。而光子对肿瘤区后面的健康组织还有杀伤作用，这就是它们的本质区别。

这是一个肿瘤细胞的分子链图。要杀伤肿瘤，就是让肿瘤细胞的DNA分子链断裂机率更大，光子和质子让它断裂的程度较低，而用重离子可以让肿瘤细胞的DNA双链断裂，更有效地治疗肿瘤，治疗之后还不容易复发，重离子让DNA双链断裂的机率达到60%以上。

从生物学效应来看，把光子的相对生物学效应设为1，质子比它强一点，是1.1，而重离子可达到2～5倍。

重离子治疗肿瘤的优势是什么？

穿透力强，末端杀伤；散射很小，精准治疗；双链断裂，复发风险低。它是无创伤、没有痛苦，更不需要吃药打针，也不需要住院。

重离子治疗装备国内外的发展

重离子治疗装备在国外的发展情况是这样的。日本在90年代建造了世界第一台重离子治疗装置，造价约10个亿人民币，运行费是每年约1.3个亿人民币，治疗病例已经超过2万。

德国西门子造了4台装置，其中1台在上海医院，造价是15个亿以上，运行费也是每年1.3个亿。很遗憾，西门子现在把这个业务给停掉了。

咱们国产第一台重离子治疗装置在武威，2015年建成，它的造价约5.5个亿，运行维护费每年5千万左右，具有全部自主知识产权。为什么我们比人家的便宜呢？因为技术路线跟他们不一样。

这一台治疗装置是在今年10月份国庆日前一天得到了国家药监总局批准，也是为祖国70周年大庆献礼。

重离子临床治疗效果

接下来介绍一下重离子的治疗效果。2006年开始进行浅层肿瘤患者治疗研究，共治疗103例病人。

这个病例是一个很大的肿瘤，经过重离子治疗后3个月就消掉了。对于恶性黑色素瘤，重离子治疗具有很好的疗效。

2008年开始，我们又陆续治疗了110例深层肿瘤病人，包括肝癌、肺癌、脑胶质瘤、前列腺癌等，这些病人的疗效也非常好。

我们跟踪了很长时间，有的跟踪了3年、5年、8年，跟常规射线相比，发现局部控制率以及生存率都要高出普通放疗的30%至40%。

武威这台装置，我们在2018年11月6日开始第一例临床治疗，根据国家卫健委的要求，共治疗了46例病人。

加上前面200多个病例，把这些病例集中在这么一张人体图上，可以看出重离子治疗适用于全身，头颈部、胸腔、盆腔等。

另外还有一些对常规射线不敏感的恶性肿瘤，如黑色素瘤、脑胶质瘤、脊索瘤、各个部位的肉瘤等，用轻子射线都不易治愈，只有重离子能够有效治疗。

这46例病人，经过3个月观察，它的局部控制率达到100%，并且无一例二级以上的毒副作用。

这是北京协和医院转来的一个病人，患者是子宫内膜肉瘤，因术中大出血无法手术，送到我们这里，治疗效果很好。

这是一个头部的肉瘤，患者是动完手术后进行放疗，但又复发了。肉瘤无论是长在哪个部位，它就像韭菜一样，割掉又容易复发，但是如果用重离子治疗就不易复发了。

这是一例肝癌患者，这个肿瘤非常大，约有10公分，通过重离子治疗之后，3个月就缩小了很多。

这一例病人是皮下肉瘤，经过多次手术后复发，用重离子治疗，不但不会伤害2～3毫米厚的皮肤，同时还可把肉瘤去掉，并且通过重离子的治疗，原来手术留下的疤痕还可愈合得更好。

对于重离子治疗，我们正在全国进行布局。首先东北这一块，我们准备在吉林布局一台重离子治疗装置；接下来是渤海湾区，计划在天津、烟台、大连各布局一台；在长三角区域的杭州，我们已经布局了一台，计划在南京再布局一台；福建莆田正在建造一台；还有大湾区，第一台有可能将落户深圳；在西南片区，主要是成都及重庆；中南地区有可能在湖南湘雅医院和武汉省人民医院各布局一台。

最后，以总书记的一句话作为我的结束语：“中国人的健康必须要掌握在咱们中国人自己手里。”

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