我国自主研发超导回旋加速器质子束能量首次达到231MeV 质子治癌设备打破美欧日垄断

图片来源：中国原子能科学研究院

9月21日，我国自主研发的超导回旋加速器质子束能量首次达到231MeV，标志着中核集团自主研发质子治疗系统实现重要里程碑节点，意味着我国在核技术应用这一战略新兴产业上掌握关键技术，打破以往只能依赖美欧日等国外进口局面。

中核集团首席专家、中国原子能科学研究院回旋加速器研究中心主任张天爵表示，“据公开文献报道，这是亚洲地区自主研发紧凑型超导回旋加速器质子束能量首次达到230MeV以上。日本有关机构自2016年以来也在研发同类装置。”

其实，简单来说，超导回旋加速器是使用超导主磁铁的回旋加速器，通过回顾回旋加速器的发展历程以及其在质子治疗中的应用，我们就能明白拥有自主研发的超导回旋加速器意味着什么。

回旋加速器发展历程

在20世纪，物理界最热门的话题是轰击原子核，看看它会产生什么新粒子。而“原子核物理学之父”欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）也才刚刚证明撞击一种元素的原子可以使其释放电子，变成另一种元素。兴奋的科学家们使用了阿尔法粒子（天然放射性的产物）和质子(含1正电荷的氢原子)来轰击其它原子，很快遇到瓶颈，需要一种人工方法加速粒子以获得更大能量。但想要获得约100万伏特电压才产生的加速度，几乎不可能制造出能承受这一功率的机器。

在此背景下，加州大学伯克利分校物理系的欧内斯特•劳伦斯（Ernest Lawrence）偶然读到一篇德国论文，描述了一种利用交替电场分阶段推进粒子能量的直线加速器。但难题又来了，虽然提高了粒子的速度，但真正达到它所需的能量，加速器的真空管不知得多长。

劳伦斯想到，磁场会使带电粒子偏转成弯曲的路径，通过使这些粒子呈螺旋状运动，就可以在它们绕着电极旋转时一点一点地增加能量。这样，就得到一台圆形机器，当粒子获得更多能量时，它们会向外盘旋，当它们移动得足够快时，就会以惊人的力量从设备中射出，进入收集器。

1930年初，劳伦斯开始建造回旋加速器，1931年1月，劳伦斯和研究生利文斯顿首次成功建造回旋加速器，一个直径约4.5英寸（11厘米）的装置，通过1800伏特的电势将氢离子加速到80,000电子伏特的能量。

回旋加速器不断变大，具有新的功能和不同的容量。例如，一个69厘米的回旋加速器可以同时加速含有质子和中子的离子。而回旋加速器又可以分为经典回旋加速器、同步回旋加速器、等时回旋加速器、超导回旋加速器等，它们基本原理相似。

经典回旋加速器

其实，劳伦斯发明的回旋加速器也被称为经典回旋加速器，有着准均匀磁场，利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，原理如下图所示。

图：回旋加速器中粒子旋转和射频加速波之间同步

在回旋加速器中，粒子以恒定频率旋转，与半径或能量无关，由此得到非常重要的结果：

1. 粒子可以用恒定频率运行的射频系统加速；

2. 轨道从中心(注入)开始，螺旋向外到极半径(引出);

3.磁场随时间是恒定的；

4. 射频结构和磁结构是完全集成的:相同的射频结构可以使束流加速许多倍(意味着一个紧凑的，经济有效的加速器)；

5. 由于加速器的运作，所以束流是完全连续的波。

回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场力，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。

但不可避免的是，经典回旋加速器有其局限，例如，在均匀磁场中没有垂直聚焦(运动是超稳定的)；在加速过程中，由于相对论效应，加速粒子的质量随速度的增大而增大，因此，角速度实际上不是恒定的，而是逐渐减小的；在射频和光束之间发生同步丢失；不能简单地增加磁场半径，因为运动会变得垂直不稳定。总之，这些都限制了加速粒子的最高能量。

同步回旋加速器

为解决经典回旋加速器能量和垂直聚焦限制，Veksler和McMillan提出了一种解决方案，从而发明了同步回旋加速器。与经典回旋加速器有以下几个不同之处：

1.磁场随半径逐渐减小，得到微弱的垂直聚焦

2.射频频率随时间逐渐减小，以补偿磁场的减小和粒子质量的增加

同步回旋加速器带来了几个重要结果：

1. 在100MeV到1GeV的范围内，可以获得更高的能量。

2. 射频是脉冲的，但磁场在时间上是恒定的(这不是同步加速器的情况)。

3.光束不再是连续波，而是在时间上被调制(脉冲)。 

4. 平均束流要比连续波低得多(但用于质子治疗也可以)。

5. 有一个纵向的光束动力学，类似于同步加速器。

6. 光束只能在回旋加速器中心在短时间内捕获。

7. RF频率、RF电压和离子源之间的时间需要精确地把握和控制。

8. 需要一个更复杂(但不一定更昂贵)的射频系统来获得所需的频率调制。

9. 射频频率不能变化非常快(旋转电容器)，因此加速度必定变慢。这意味着：每匝能量增益低；多轮束流引出；RF电压低，所需RF功率低。

10.在引出时只有一个非常小的转弯分离。因此需要一种特殊的方法(称为再生束流引出)来将光束从机器中引出。

等时回旋加速器

在等时回旋加速器中，通过允许磁场沿圆随方位角变化而引入垂直聚焦的额外资源。这种额外的聚焦非常强大，从而支配了由径向增加的场产生的垂直散焦。径向的增加可以使粒子的旋转频率在机器中保持恒定，甚至对于相对论能量(对于质量的增加是显著的)。这种垂直聚焦的新资源是由Thomas发明的。在许多紧凑的回旋加速器中，垂直聚焦不仅集中在扇面边缘，而且可以更多地沿闭合轨道分布。

除了这三种以外，此后，回旋加速器也在不断发展，如同步AVF回旋加速器，带有山丘和山谷的方位变化磁场，允许等时性和垂直稳定性，连续波运行、高能量、大电流。而随着来超导技术的应用，采用超导线圈的强电流产生高磁场的超导回旋加速器开始问世，其磁感应强度可高达4-5T，拥有紧凑设计。

20世纪70年代中期，美国密歇根州立大学国家超导回旋加速器实验室和加拿大查克河核实验室（Chalk River）开始研究和建设第一个超导同步回旋加速器，分别是K500（于1982年首次在密歇根州立大学运行）和K520（于1985年首次运行）。1984年，重280吨的K1200等时回旋加速器在密歇根州立大学落成。 

有趣的是，虽然用低温超导技术提高回旋加速器的磁场，在20世纪60年代初就由美国密歇根州立大学的科学家提出来，但正式方案却在1973年由加拿大查克河核实验室提出，作为重离子加速器的后加速级，超导回旋加速器开始受到关注。而密歇根州立大学比查克河核实验室早一步拿到资金着手研发，于是抢先一步了。

此后，各个国家和实验室也在随后的时间内建成了加速重离子的超导回旋加速器。2006年，日本理化所建造了规模最大的超导回旋加速器——K=2600环形超导回旋加速器。

让辐射乖乖听话，杀死癌细胞

那么，让科学家们耗费无数心血研发的回旋加速器有什么实际用处呢？那就是粒子治疗，这是一种外束放射疗法，使用高能中子、质子或其它较重的正离子束治疗癌症，其中要数质子疗法最为常见。

而回旋加速器自诞生没多久就一直与高端医学密切相关。1935年，约翰·劳伦斯(欧内斯特的兄弟)加入了伯克利小组，率先采用回旋加速器产生了短寿命放射性同位素，以及用质子和中子轰击肿瘤的方法治疗癌症。

50年后，密歇根州立大学的超导回旋加速器小组开始研制K100紧凑型超导回旋加速器，将氘核加速到50MeV，并将其置于铍靶上用于中子治疗。该装置安装在底特律的哈珀医院，是第一个物理旋转(旋转机架)回旋加速器，旋转机架是支撑质子束流从不同的角度照射至病灶的机械结构，对旋转精度要求极高。

这些早期设计激发了现今商用超导回旋加速器的灵感，用于质子治疗，例如Varian COMET （等时回旋加速器，中心磁场2.4T，250 MeV）， IBA S2C2(同步回旋加速器，中心磁场5.7T，230 MeV)和Mevion（同步回旋加速器，中心磁场9T，250 MeV）。

虽然人们常常谈辐射色变，但在质子治疗中，通过使用粒子加速器用质子束流瞄准肿瘤，这些带电粒子破坏细胞的DNA，最终通过阻止细胞的繁殖来杀死它们，从而消除肿瘤。神奇的是，提供的辐射能完美贴合肿瘤的形状和深度，并保留周围大部分正常组织。根据美国放射肿瘤学协会关于质子束治疗模型政策指出，质子治疗是合理的，在某些情况下，保留周围正常组织不被辐射，并可使患者受益。于是，质子治疗经常与手术和/或化疗一起使用，以最有效地治疗癌症。

国际上的数据也能证明其效果显著，通过精准辐射肿瘤剂量，质子加速器能够治疗1/4的癌症病人，正常组织遭受辐射剂量减少60%，实现癌细胞定向爆破，单次手术的治疗过程约8分钟，降低肿瘤二次发作风险，五年存活率高达80%以上。在这些数字的背后，挽救了无数心碎家庭，让癌症患者看到生的希望。

在国际上，质子治疗装置作为治愈肿瘤的大型医疗设备已有多年历史。1961年，哈佛回旋加速器实验室(HCL)和马萨诸塞州综合医院(MGH)开始合作进行质子治疗，在接下来的41年里，随着技术不断改进，在回旋加速器于2002年关闭之前治疗了9116名患者。而位于莫斯科的ITEP中心于1969年开始治疗患者，是至今仍在运作的最古老的质子中心。1984年，瑞士保罗谢勒研究所成为世界上第一个治疗眼部肿瘤的质子中心。

世界上第一个以医院为基础的质子治疗中心是1989年在英国Clatterbridge肿瘤中心成立的低能量回旋加速器中心，接着在1990年，加州洛马琳达大学大学医学中心(LLUMC)也成立质子治疗中心。随后，麻省总医院的东北质子治疗中心上线，HCL治疗项目在2001年和2002年转移到该中心。到2020年初，仅美国就有37家质子治疗中心，日本有24家，德国拥有8家，英国拥有5家，中国大陆拥有4家（另外，台湾地区有2家），全球共有89家。

图为中国4家质子治疗中心

从时间上来看，我国质子重离子治疗的起步较晚，这也与尖端医疗设备一直为美欧日所垄断，引进设备成本昂贵动辄上亿元不无关系。2005年6月12日，山东淄博万杰医院博拉格质子中心(民营)落成，斥资4000多万美元引进比利时IBA质子治疗系统，成为我国首家质子治疗中心。 

此后经过十多年的筹备，上海质子重离子医院斥资13亿引进德国西门子设备，于2014年6月14日成功完成首例临床试验，截至2019年5月，四年收治患者1945例，其中1871例患者经治疗出院，临床试验患者五年生存率达97.1%。

2019年5月，甘肃武威重离子治疗肿瘤中心临床试验工作，采用的是我国第一台拥有自主知识产权的重离子治疗肿瘤装置，实现了我国在全球最大型医疗设备临床应用方面的历史性突破。另外，根据PTCOG的数据，目前我国在建的质子治疗中心有8家，规划中的则有8家（如下面两张图所示）。

（截止2020年9月，我国在建质子中心8家）

（截止2020年9月，我国拟建质子中心8家）

截至2020年，全球仅有5家制造商生产质子治疗系统：Mevion医疗系统、Ion Beam Applications、日立、ProTom International和瓦里安医疗系统（Varian Medical Systems）。而对于质子治疗系统中常用的回旋加速器，从全球来看，供应商和制造商并不多，最有分量的如下图所示。其中，住友（Sumitomo ）和IBA在C235回旋加速器的开发上进行了合作。

我国超导回旋加速器发展历程

有数据显示，中国因癌症死亡和新增癌症病例数量(2012年分别为220万和350万)均居世界首位，质子和重离子放疗则是国际公认的最先进的放疗治疗技术，长期副作用最小。长期以来，美、欧、日等科技发达国家掌握着质子治疗癌症的尖端技术，光靠引进设备显然不符合未来发展需求，“打铁还需自身硬”，于是，拥有自主研发的回旋加速器迫在眉睫。

1958年，中国核工业集团有限公司中国原子能科学研究院(CIAE)建成我国第一台回旋加速器，由此开创了我国原子能事业新时代。此后半个多世纪，原子能院引进、开发了各种能量和类型的加速器30多台，为我国低能核物理实验、“两弹一星”研究等做出了重要贡献。

2009年，原子能院着手进行中能质子回旋加速器的研发，2012年12月11日，中核集团在第二次科技工作会议上发布了“龙腾2020”科技创新计划，其中包括研究质子治疗关键技术的立项。2015年1月，原子能院正式启动了230MeV超导回旋加速器(CYCIAE-230)建设项目，2016年，230MeV超导回旋加速器样机建造获批。2018年，230MeV超导回旋加速器攻克多个难关，加速器核心部件——高频腔系统通过源地验收，标志着中核集团全面掌握该加速器设计和制造技术。

目前，原子能院已掌握的关键技术主要包括：国内首台中能超导质子回旋加速器的整机设计技术；超导质子回旋加速器专用的超导磁工艺技术；磁场强度3T以上的螺旋形强聚焦主磁铁系统研制技术；品质因子高达8000的螺旋形高频谐振腔体技术；强磁场下冷阴极潘宁离子源及中心区技术；高同步精度举升技术；强磁场小线圈精密测量技术；癌症治疗质子束流强度的快速调制技术等。

下图为原子能院超导回旋加速器CYCIAE-230的整体设计和具体参数。如图所示，CYCIAE-230主磁体由上轭/极、下轭/极和一对返回轭组成。考虑到国内厂家在机床精度和公差控制方面都有很大的提高，CYCIAE-230的磁极和上、下轭设计为一体，使安装公差最小。为简化常规操作，CYCIAE-230采用多块垫片和垫片的固定磁场代替了复杂的微调线圈。顶部/底部的中央插头用于塑造中心区域的磁场。它们都是由纯铁锻件制成的。

（图：超导回旋加速器CYCIAE-230的设计）

图：CYCIAE-230整体参数

总的来说，原子能院研发的这种加速器具有体积小、功耗低、束流强度高、引出束流为连续束等特点，更适合于快速调强扫描治疗，而且整机为自主研制，具有完全自主知识产权。

此外，原子能院还承担了科技部重点研发项目的250MeV超导回旋加速器，按质子治疗项目的总体进度安排，250MeV超导回旋加速器当前研发进展顺利。

最后，鉴于我国癌症治疗需要日益庞大，230MeV超导回旋加速器的成功研发，在打破国外尖端医疗装备领域的垄断上意外非凡，而且，超导回旋加速器的应用不仅仅在于质子治疗，在宇航器件、核心芯片研发和应用领域也有重要应用。

编译/前瞻经济学人APP资讯组