重離子

重離子是指質量數大於4的原子核，即元素周期表氦核以後(原子序數大於2的失去電子的原子)的離子。如碳12、氖22、鈣45、鐵56、氪84和鈾238等。重離子已開始套用到放射生物學、放射診斷和放射治療等方面。在放射治療癌症方面，同X 射線相比，重離子在生物體中線能量轉移值高，而且可以精確地控制劑量及射程，定位性能好，射程末端的釋放能量集中，可使殺傷效果集中在需要照射的局部範圍內，而減小對周圍健康組織的損傷。

基本介紹

• 中文名：重離子
• 外文名：heavy ion
• 類型：帶電粒子
• 組成：碳及氖離子
• 功能：放射線
• 套用領域：核醫學、核能反應堆

概念

重離子是指質量數大於4的原子核，即元素周期表氦核以後(原子序數大於2的失去電子的原子)的離子。如碳12、氖22、鈣45、鐵56、氪84和鈾238等。重離子已開始套用到放射生物學、放射診斷和放射治療等方面。在深入進行重離子核物理基礎研究的同時，重離子在其他學科中已開始有了套用並受到重視。

重離子核反應

加速質量大於a粒子的離子轟擊原子核引起的反應 。重離子能夠產生的核反應種類比輕離子要多得多，並在某些重要方面與輕離子核反應有很大差別。重離子相對運動的德布羅意波長（見波粒二象性）很短，典型的量級只有 0.1飛米（fm），比原子核的半徑小得多，重離子碰撞過程的典型情況可以利用經典粒子碰撞的軌道圖像來描述。20世紀60年代中期以來，人們先後通過重離子核反應合成了各種超?元素（Z=102～109），並用於遠離β穩定線的核素以及高激發態、高自旋態核的研究。從60年代中期到70年代初期，重離子核反應逐步成為獲得人工合成超鍆元素的主要手段。

重離子是具有結構的複合粒子，它所引起的核反應機制在某些重要方面同輕離子核反應有很大的差別。人們還可以根據研究的需要,選擇各種靶核和彈核的結合，這也是重離子核反應的一個獨特的優點。

重離子相對運動的德布羅意波長λ 很短，典型的量級為1/10fm。比原子核的直徑小得多，然而對於4MeV的質子同樣轟擊Th，則 λ≈2.25fm，比重離子的德布羅意波長大得多。因此，重離子碰撞過程的典型情況可以利用經典粒子碰撞的軌道圖像來描述,重離子碰撞過程的反應機制可以按照碰撞參量b或軌道角動量l來進行分類,即隨著b或l的減少，兩個原子核的相互作用由表面到內部,順次發生彈性散射、非彈性散射（主要是庫侖激發）、轉移反應（重離子核反應中一般將彈性散射、非彈性散射和轉移反應統稱為準彈性散射）、重離子深部非彈性碰撞和全熔合反應(有時隨著b的減小,會先發生全熔合反應,後發生深部非彈性碰撞)。

重離子核物理

原子核物理學的一個分支學科。利用加速到各種不同能量的重離子轟擊原子核，研究核結構和運動變化規律。這是近20多年來原子核物理學的一個活躍的前沿領域。重離子束也用來研究原子、分子以及凝聚態的結構和性質。

重離子放療

重離子放療：重離子放射線的粹點是且有質子在放射物理削量分布上的優點．又有蓖強烈曲放射生物學效應，具有比質子更強的腫瘤殺滅效應，特別對光子和質子放射抵抗的|忡瘟，如OO期，s期的腫瘤細胞，乏氧腫瘟細胞和固有的放射抵抗腫瘤，如黑色素癌。以腫瘤中最常見的乏氧腫瘤細胞為例，光子消孤它們的荊量至少需要未滅富氧細胞的3格．而重牧早殺滅乏氧細胞的能力是光子的3倍。由於重粒子更強大的放射生物學效應，因此是把“雙刃劍”。如果重離子照射在正常組織和器官上．也將產生嚴重的放射損傷。因此，必需套用精確的放療技術，包括重複性好的患者體位固定裝置，精確的腫瘤定位．

放療劑量的準確給予，圖像引導的放療，運動的腫瘤靶區控制等．使得物理劑量分布和腫瘤的立體形態保持一致，把劑量集中在腫瘤．而比較少的照射j吉|胃的正常組織和器官。在腫瘤放療中主要套用的放射線是硪離子。重離子的臨床套用主要任日車和德國進行．日本目立放射醫學研究所(National I∞btute ofRadiological Sciences，NIRS)在1994年開始用對碳離子放療進行臨床試驗。從1994年6月到2008年2月，NIRS共用碳粒子治療了3819例腫瘤患者．包括4053個腫瘤病灶，其中前列腺癌762例．肺癌550例，頭頸部腫瘤53 例，骨和贛組織惡性腫瘤491例．原發性癌307例．直腸癌177例，子宮癌128例，中樞神經系統腫瘟101例．視網膜黑色素瘤82例．顱底腫瘤52例，食管癌53例，其他腫瘤484例。臨床治療的結果顯示，砩輔予放療在顱底腫瘤、頭頸腫瘤、tM：細胞肺癌，原發性肝細胞性肝癌、前列腺癌、骨和軟組織由瘤取得了很好的療效。在早期肺癌．肝癌和前列腺癌的腫瘤局部控制率已經達到和外科切除相當的療效，因為該治療是無創治療，有更多的病人將能接受治療，如年邁患者，心、怖、或肝功能不好不能接受手術的患者。所以擴大了腫瘤的治療適應證。

上海市質子和重離子醫院，復旦大學附屬腫瘤醫院重離子放療巾心正在建設之中，該醫院將提供患者光子．質子和重離子放療，融台了現代光子放療的三維適形和調強放療，圖像引導的放療技術等和質子和重離子放療的技術，特別是創造了放射線的筆形掃描技術．能達到高度的腫瘤放療適形性，系迄夸為止最高技術的腫瘤艘療技術。該醫院已經在2009年8月動工，預計在2013年下半年開始質子和重離子放療。

放療裝置

主要大型的加速器是HIMAC公司製造，專用於研究重粒子射線癌症放療的裝置。

加速器主要有RFQ加速器，直徑為0.6米，長約7.3米的直線加速器，可加速到800keV/核子（約光速的4%）

ALVARE加速器，直徑2.2米，長約24米的直線加速器。可加速到6MeV/核子（約光速的11%）、

主加速器偏轉電磁鐵，是為了讓重粒子保持在同步迴旋軌道上而另其偏轉的電磁鐵，是磁場強度會隨著加速能量而改變的交流電磁鐵。

最後是經過高頻加速腔，經過十萬轉之後，最高能量達到800MeV/核子（約光速的84%）

材料領域

重離子穿透薄膜時，同媒質中的電子發生強烈的庫侖相互作用，電子被剝離幾率大於複合幾率，所以高速重離子穿過媒質薄膜後，將處於高度剝離的激髮狀態。在薄膜後的不同距離（激發後的不同時刻）測量激發離子發射的光譜，可以研究這些激發態的特性及壽命（見束－箔光譜學）。重離子束的套用給研究原子的內殼層的特性提供了有利的條件，這同天體物理的研究有密切的關係。

除了套用於半導體器件的製造和材料的表面處理（如改變材料表面硬度、摩擦係數、抗腐蝕能力）等的離子注入技術外，重離子束還可用來改變薄膜的性能、製造孔徑為幾納米到幾十微米的核薄膜濾器。用重離子束模擬研究裂變反應堆或聚變反應堆中釋熱元件和結構材料的輻照損傷，其效率遠遠超過其他方法。

價值

重離子放射線的醫學價值

重離子放射線治療腫瘤癌症是當代公認的先進有效的放療方法，這是由重離子射線獨特的物理特性和生物特性所決定的。物理特性是這樣的，碳離子和其他重帶電粒子一樣，具有倒轉劑量分布的特性。重離子在貫穿物質時主要是通過與靶原子核外電子的碰撞損失能量，隨著離子能量的降低，這種碰撞的幾率增大。在離子進入人體的大部分射程里，巨大的初始能量使離子穿過組織速度很快，因而損失的能量較小，形成一個相對低能量的坪區；在射程的末端，隨著能量的損失，離子運動速度減慢，與靶電子碰撞的幾率增大，最終在射程末端形成一個陡峭的高劑量（能量損失）峰，即Bragg峰，其後劑量迅速跌落。Bragg峰位的深度可以通過改變入射離子的初始能量來調節。治療時把展寬的Bragg峰精確地調整並套住整個腫瘤靶區，是周圍正常的組織只受到很小劑量的照射。利用重離子的帶電性，實現柵網掃描技術引導束流對腫瘤實行精確斷層掃描的"適形治療"。此外重離子的散射比質子和光子小，對精確的劑量分布也非常有利。

生物特性是這樣的，重離子射線直接對DNA雙鏈進行不可修復的破壞，對於普通光子射線不敏感的乏氧癌細胞，重離子射線同樣可以破壞其DNA雙鏈，導致不可以修復。

基於這樣的兩種特性，可見重離子放射治療的醫學價值非常巨大，未來會成為腫瘤癌症的 主要治療手段之一。

重離子加速器

離子加速器是指用來加速比α粒子重的離子加速器，有時也可用來加速質子。通過重離子加速器可以將大量的重離子加速到很高的速度，甚至接近光速，高速的重離子形成重離子束，用於開展重離子物理研究。

在世界上多數新建和改建的重離子加速器是等時性回旋加速器（即扇形聚焦回旋加速器）。其次是串列靜電加速器。為了得到較高能量，很多新建的裝置採用兩台或兩台以上加速器串聯起來。構成重離子加速器系統，一些是串列靜電加速器注入到回旋加速器或直線加速器，另一些是兩台回旋加速器串聯。

為了把束流從注入器傳輸到主加速器，需要有一個束流輸運系統，對注入器引出束流進行適當的形狀變換以適合主加速器對束流的要求。此外為減少由於電荷交換而引起的離子損失，對加速器和束流輸運系統要求有較高的直空度，一般在1×10-7Torr左右。在輸運線上應該有電荷分析裝置。 　重離子加速器的結構決定了它的調試和運行是比較複雜的，一般都應配備一個自動控制系統來控制調試和運行，當然，在加速器內和在輸運線上的束流診斷設備是必不可少的。

國首台自主研發的醫用重離子加速器成功出束。這意味著腫瘤患者的重離子放射治療將不再依賴國外技術設備

這台醫用重離子加速器位於甘肅省武威市，2012年5月開始研製。目前已實現每核子400兆電子伏的碳離子束加速及非線性共振慢引出，達到了設計指標。設備可用於腫瘤患者的重離子放射治療，尤其是疑難、不宜手術、使用其他治療手段易復發的腫瘤類型。