自高速離子在物體中行進停止時釋放能量的布拉格峰被發現以來，人類一直在探索利用質子和重離子治療癌癥的可能性。從1946年美國物理學家勞勃·威爾森首次提出用質子束治療腫瘤的設想，到1994年日本千葉建成世界上第一個重離子治癌中心， 質子重離子 已經成為最受關註的新型癌癥治療技術。
近年來，對於質子重離子的研究，中國在各個方面取得重要突破。據悉，中國自主研制的重離子治癌裝置已落戶多個城市，它的套用證明了中國在重離子治癌領域的領先實力。
▲ 中國第一台擁有自主智慧財產權的醫用重離子加速器裝置在甘肅武威正式誕生
2023年12月29日，原子能院230MeV超導質子回旋加速器及治療端透過驗收技術測試。這意味著中核集團布局治癌回旋加速器及治療端技術取得又一重要突破。至此， 中國成為全球少數幾個掌握具有自主智慧財產權質子治療高端醫療裝備技術的國家之一 ，對於帶動中國核醫療技術水平的跨越式發展具有重要意義。
▲ 圖片來源：中國原子能科學研究院
什麽是質子重離子療法
質子療法是一種新型的癌癥治療技術，於20世紀90年代獲得認證。質子重離子療法是質子療法的增強版，使用重離子代替質子，摧毀癌細胞的效率更高。
我們知道，傳統放療套用的如X射線或γ射線，都屬於光子放療。這種放療的基本原理是光子從外界接近身體表面，之後能量逐步衰減，因此可能會導致正常細胞或組織吸收許多能量，產生嚴重的副作用。
而質子重離子這類粒子，同屬於離子線。與傳統的光子線不同，質子重離子在被同步加速器加速到約0.75倍光速後轟入人體，產生「 布拉格峰效應 」，簡單說就是進入人體時能量小，達到腫瘤處能量突然暴增，因此對正常組織損傷非常小。不僅如此，對於一些常規放療不敏感的腫瘤，由於能量更強大，質子重離子治療也能有良好的效果。
▲ X射線光子療法與質子療法的比較（來源：Paul Scherrer 研究所）
質子重離子治療為無創治療，且無需接受麻醉。此療法可用於部份復雜的治療，如眼部腫瘤、肝臟腫瘤等，一定程度上避免了手術和切除對患者的傷害，尤其適用於高齡或身體原因無法手術的局部病變患者。如今，這種「不見血的放療刀」技術已被越來越多的患者認可。
▲ 上海市質子重離子醫院為患者治療
質子療法與真空技術
基於質子重離子束的放射治療系統屬於粒子加速器在科研領域之外的實際套用。而 真空系統對質子重離子治療系統極為重要 ，是保證其發揮作用的基礎裝置。
質子重離子治療系統包括三個部份： 束源，束線和終點站 ，需要一個很大直徑的環形真空腔體，三部份的元件均需在 高真空至超高真空 條件下執行，用來產生、加速和定向傳遞離子。
▲ 質子治療中心的布局（圖片來源：海德堡離子束治療中心，courtesy of Varian Proton Solutions）
離子在同步加速器中產生。在同步加速器中，離子加速，並被磁鐵引導進入圓形軌域。同步加速器的周長可達100公尺，需要真空泵產生低於 1×10-7 pa 的真空度，以確保離子在沒有交互作用的情況下進行長距離移動。再透過束線聚焦並輸送到終點站。在光束聚焦和彎曲磁體之間，一般會沿著束線安裝多台離子泵。
▲ 同步加速器產生束源（圖片來源：海德堡離子束治療中心）
▲ 束線將離子源聚焦並輸送到用藥室（圖片來源：海德堡離子束治療中心）
▲ 質子治療中心的同步加速器束線（圖片來源：courtesy of Varian Proton Solutions）
同步加速器上的真空裝置
同步加速器龐大而復雜，除了真空系統外，還包裹著大量的磁鐵。這些磁鐵會約束加速粒子，給粒子彎轉力以控制粒子軌域，使粒子沿既定中心軌域運動。然而， 電磁系統會產生強磁場、強放射線和電磁幹擾，對於真空系統會產生很大影響 。
所以，用於質子重離子治療系統的真空泵和控制器除了要提供超高真空度，還要 在強磁場和強放射線的條件下正常執行 ，測量奈米級的微弱電流，即時調整真空泵的工作電壓，確保系統真空保持在適當的水平，這對裝置的要求十分嚴苛。
關於真空系統與加速器的融合，部份真空裝置制造商已經積累了豐富經驗。比如， 安捷倫已經與歐洲核子研究組織（CERN）及其他主要物理研究中心建立了長達數十年的合作關系 ，對於粒子加速器的真空套用已經非常熟悉。針對粒子加速器對真空系統的特有需求，安捷倫為質子治療系統開發出專屬真空解決方案，可以在強大的磁場和放射線環境下完美執行。這讓安捷倫成為許多質子重離子治療系統制造商的優選合作夥伴。
▲ 安捷倫離子泵安裝於超大的質子束聚焦和彎曲磁鐵附近（圖片來源：MedAustron）
隨著醫療領域的快速發展，真空技術在醫療領域的套用也成為行業內部熱議的話題。面對醫療裝置制造帶來的新挑戰，真空系統需要解決更多場景套用問題，創新技術，研發新品，助力質子重離子治療乃至整個醫療科學的發展。
