重离子加速器

重离子核反应

加速质量大于a粒子的离子轰击原子核引起的反应。重离子能够产生的核反应种类比轻离子要多得多，并在某些重要方面与轻离子核反应有很大差别。重离子相对运动的德布罗意波长（见波粒二象性）很短，典型的量级只有0.1飞米（fm），比原子核的半径小得多，重离子碰撞过程的典型情况可以利用经典粒子碰撞的轨道图像来描述。20世纪60年代中期以来，人们先后通过重离子核反应合成了各种超？元素（Z=102～109），并用于远离β稳定线的核素以及高激发态、高自旋态核的研究。从60年代中期到70年代初期，重离子核反应逐步成为获得人工合成超钔元素的主要手段。

重离子是具有结构的复合粒子，它所引起的核反应机制在某些重要方面同轻离子核反应有很大的差别。人们还可以根据研究的需要，选择各种靶核和弹核的结合，这也是重离子核反应的一个独特的优点。

重离子相对运动的德布罗意波长λ很短，典型的量级为1/10fm。比原子核的直径小得多，然而对于4MeV的质子同样轰击Th，则λ≈2.25fm，比重离子的德布罗意波长大得多。因此，重离子碰撞过程的典型情况可以利用经典粒子碰撞的轨道图像来描述，重离子碰撞过程的反应机制可以按照碰撞参量b或轨道角动量l来进行分类，即随着b或l的减少，两个原子核的相互作用由表面到内部，顺次发生弹性散射、非弹性散射（主要是库仑激发）、转移反应（重离子核反应中一般将弹性散射、非弹性散射和转移反应统称为准弹性散射）、重离子深部非弹性碰撞和全熔合反应(有时随着b的减小，会先发生全熔合反应，后发生深部非弹性碰撞)。

重离子核物理

原子核物理学的一个分支学科。利用加速到各种不同能量的重离子轰击原子核，研究核结构和运动变化规律。这是近20多年来原子核物理学的一个活跃的前沿领域。重离子束也用来研究原子、分子以及凝聚态的结构和性质。

重离子放疗简介

重离子放疗：重离子放射线的粹点是且有质子在放射物理削量分布上的优点．又有蓖强烈曲放射生物学效应，具有比质子更强的肿瘤杀灭效应，特别对光子和质子放射抵抗的|忡瘟，如OO期，s期的肿瘤细胞，乏氧肿瘟细胞和固有的放射抵抗肿瘤，如黑色素癌。以肿瘤中最常见的乏氧肿瘤细胞为例，光子消孤它们的荆量至少需要未灭富氧细胞的3格．而重牧早杀灭乏氧细胞的能力是光子的3倍。由于重粒子更强大的放射生物学效应，因此是把“双刃剑”。如果重离子照射在正常组织和器官上．也将产生严重的放射损伤。因此，必需应用精确的放疗技术，包括重复性好的患者体位固定装置，精确的肿瘤定位．

放疗剂量的准确给予，图像引导的放疗，运动的肿瘤靶区控制等．使得物理剂量分布和肿瘤的立体形态保持一致，把剂量集中在肿瘤．而比较少的照射j吉|胃的正常组织和器官。在肿瘤放疗中主要应用的放射线是硪离子。重离子的临床应用主要任日车和德国进行．日本目立放射医学研究所(NationalI∞btuteofRadiologicalSciences，NIRS)在1994年开始用对碳离子放疗进行临床试验。从1994年6月到2008年2月，NIRS共用碳粒子治疗了3819例肿瘤患者．包括4053个肿瘤病灶，其中前列腺癌762例．肺癌550例，头颈部肿瘤53例，骨和赣组织恶性肿瘤491例．原发性癌307例．直肠癌177例，子宫癌128例，中枢神经系统肿瘟101例．视网膜黑色素瘤82例．颅底肿瘤52例，食管癌53例，其他肿瘤484例。临床治疗的结果显示，砩辅予放疗在颅底肿瘤、头颈肿瘤、tM：细胞肺癌，原发性肝细胞性肝癌、前列腺癌、骨和软组织由瘤取得了很好的疗效。在早期肺癌．肝癌和前列腺癌的肿瘤局部控制率已经达到和外科切除相当的疗效，因为该治疗是无创治疗，有更多的病人将能接受治疗，如年迈患者，心、怖、或肝功能不好不能接受手术的患者。所以扩大了肿瘤的治疗适应证。

上海市质子和重离子医院，复旦大学附属肿瘤医院重离子放疗巾心正在建设之中，该医院将提供患者光子．质子和重离子放疗，融台了现代光子放疗的三维适形和调强放疗，图像引导的放疗技术等和质子和重离子放疗的技术，特别是创造了放射线的笔形扫描技术．能达到高度的肿瘤放疗适形性，系迄夸为止最高技术的肿瘤艘疗技术。该医院已经在2009年8月动工，预计在2013年下半年开始质子和重离子放疗。

放疗装置

主要大型的加速器是HIMAC公司制造，专用于研究重粒子射线癌症放疗的装置。

加速器主要有RFQ加速器，直径为0.6米，长约7.3米的直线加速器，可加速到800keV/核子（约光速的4%）

ALVARE加速器，直径2.2米，长约24米的直线加速器。可加速到6MeV/核子（约光速的11%）、

主加速器偏转电磁铁，是为了让重粒子保持在同步回旋轨道上而另其偏转的电磁铁，是磁场强度会随着加速能量而改变的交流电磁铁。

最后是经过高频加速腔，经过十万转之后，最高能量达到800MeV/核子（约光速的84%）

材料领域

重离子穿透薄膜时，同媒质中的电子发生强烈的库仑相互作用，电子被剥离几率大于复合几率，所以高速重离子穿过媒质薄膜后，将处于高度剥离的激发状态。在薄膜后的不同距离（激发后的不同时刻）测量激发离子发射的光谱，可以研究这些激发态的特性及寿命（见束－箔光谱学）。重离子束的应用给研究原子的内壳层的特性提供了有利的条件，这同天体物理的研究有密切的关系。

除了应用于半导体器件的制造和材料的表面处理（如改变材料表面硬度、摩擦系数、抗腐蚀能力）等的离子注入技术外，重离子束还可用来改变薄膜的性能、制造孔径为几纳米到几十微米的核薄膜滤器。用重离子束模拟研究裂变反应堆或聚变反应堆中释热元件和结构材料的辐照损伤，其效率远远超过其他方法。

重离子放射线的医学价值

重离子放射线治疗肿瘤癌症是当代公认的先进有效的放疗方法，这是由重离子射线独特的物理特性和生物特性所决定的。物理特性是这样的，碳离子和其他重带电粒子一样，具有倒转剂量分布的特性。重离子在贯穿物质时主要是通过与靶原子核外电子的碰撞损失能量，随着离子能量的降低，这种碰撞的几率增大。在离子进入人体的大部分射程里，巨大的初始能量使离子穿过组织速度很快，因而损失的能量较小，形成一个相对低能量的坪区；在射程的末端，随着能量的损失，离子运动速度减慢，与靶电子碰撞的几率增大，最终在射程末端形成一个陡峭的高剂量（能量损失）峰，即Bragg峰，其后剂量迅速跌落。Bragg峰位的深度可以通过改变入射离子的初始能量来调节。治疗时把展宽的Bragg峰精确地调整并套住整个肿瘤靶区，是周围正常的组织只受到很小剂量的照射。利用重离子的带电性，实现栅网扫描技术引导束流对肿瘤实行精确断层扫描的"适形治疗"。此外重离子的散射比质子和光子小，对精确的剂量分布也非常有利。

生物特性是这样的，重离子射线直接对DNA双链进行不可修复的破坏，对于普通光子射线不敏感的乏氧癌细胞，重离子射线同样可以破坏其DNA双链，导致不可以修复。

基于这样的两种特性，可见重离子放射治疗的医学价值非常巨大，未来会成为肿瘤癌症的主要治疗手段之一。

重离子加速器

离子加速器是指用来加速比α粒子重的离子加速器，有时也可用来加速质子。通过重离子加速器可以将大量的重离子加速到很高的速度，甚至接近光速，高速的重离子形成重离子束，用于开展重离子物理研究。

在世界上多数新建和改建的重离子加速器是等时性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列静电加速器。为了得到较高能量，很多新建的装置采用两台或两台以上加速器串联起来。构成重离子加速器系统，一些是串列静电加速器注入到回旋加速器或直线加速器，另一些是两台回旋加速器串联。

为了把束流从注入器传输到主加速器，需要有一个束流输运系统，对注入器引出束流进行适当的形状变换以适合主加速器对束流的要求。此外为减少由于电荷交换而引起的离子损失，对加速器和束流输运系统要求有较高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在输运线上应该有电荷分析装置。重离子加速器的结构决定了它的调试和运行是比较复杂的，一般都应配备一个自动控制系统来控制调试和运行，当然，在加速器内和在输运线上的束流诊断设备是必不可少的。

国首台自主研发的医用重离子加速器成功出束。这意味着肿瘤患者的重离子放射治疗将不再依赖国外技术设备

这台医用重离子加速器位于甘肃省武威市，2012年5月开始研制。目前已实现每核子400兆电子伏的碳离子束加速及非线性共振慢引出，达到了设计指标。设备可用于肿瘤患者的重离子放射治疗，尤其是疑难、不宜手术、使用其他治疗手段易复发的肿瘤类型。