自高速离子在物体中行进停止时释放能量的布拉格峰被发现以来，人类一直在探索利用质子和重离子治疗癌症的可能性。从1946年美国物理学家罗伯特·威尔逊首次提出用质子束治疗肿瘤的设想，到1994年日本千叶建成世界上第一个重离子治癌中心， 质子重离子 已经成为最受关注的新型癌症治疗技术。
近年来，对于质子重离子的研究，我国在各个方面取得重要突破。据悉，我国自主研制的重离子治癌装置已落户多个城市，它的应用证明了我国在重离子治癌领域的领先实力。
▲ 我国第一台拥有自主知识产权的医用重离子加速器装置在甘肃武威正式诞生
2023年12月29日，原子能院230MeV超导质子回旋加速器及治疗端通过验收技术测试。这意味着中核集团布局治癌回旋加速器及治疗端技术取得又一重要突破。至此， 我国成为全球少数几个掌握具有自主知识产权质子治疗高端医疗装备技术的国家之一 ，对于带动我国核医疗技术水平的跨越式发展具有重要意义。
▲ 图片来源：中国原子能科学研究院
什么是质子重离子疗法
质子疗法是一种新型的癌症治疗技术，于20世纪90年代获得认证。质子重离子疗法是质子疗法的增强版，使用重离子代替质子，摧毁癌细胞的效率更高。
我们知道，传统放疗应用的如X射线或γ射线，都属于光子放疗。这种放疗的基本原理是光子从外界接近身体表面，之后能量逐步衰减，因此可能会导致正常细胞或组织吸收许多能量，产生严重的副作用。
而质子重离子这类粒子，同属于离子线。与传统的光子线不同，质子重离子在被同步加速器加速到约0.75倍光速后轰入人体，产生「 布拉格峰效应 」，简单说就是进入人体时能量小，达到肿瘤处能量突然暴增，因此对正常组织损伤非常小。不仅如此，对于一些常规放疗不敏感的肿瘤，由于能量更强大，质子重离子治疗也能有良好的效果。
▲ X射线光子疗法与质子疗法的比较（来源：Paul Scherrer 研究所）
质子重离子治疗为无创治疗，且无需接受麻醉。此疗法可用于部分复杂的治疗，如眼部肿瘤、肝脏肿瘤等，一定程度上避免了手术和切除对患者的伤害，尤其适用于高龄或身体原因无法手术的局部病变患者。如今，这种「不见血的放疗刀」技术已被越来越多的患者认可。
▲ 上海市质子重离子医院为患者治疗
质子疗法与真空技术
基于质子重离子束的放射治疗系统属于粒子加速器在科研领域之外的实际应用。而 真空系统对质子重离子治疗系统极为重要 ，是保证其发挥作用的基础设备。
质子重离子治疗系统包括三个部分： 束源，束线和终点站 ，需要一个很大直径的环形真空腔体，三部分的元件均需在 高真空至超高真空 条件下运行，用来产生、加速和定向传递离子。
▲ 质子治疗中心的布局（图片来源：海德堡离子束治疗中心，courtesy of Varian Proton Solutions）
离子在同步加速器中产生。在同步加速器中，离子加速，并被磁铁引导进入圆形轨道。同步加速器的周长可达100米，需要真空泵产生低于 1×10-7 pa 的真空度，以确保离子在没有相互作用的情况下进行长距离移动。再通过束线聚焦并输送到终点站。在光束聚焦和弯曲磁体之间，一般会沿着束线安装多台离子泵。
▲ 同步加速器产生束源（图片来源：海德堡离子束治疗中心）
▲ 束线将离子源聚焦并输送到用药室（图片来源：海德堡离子束治疗中心）
▲ 质子治疗中心的同步加速器束线（图片来源：courtesy of Varian Proton Solutions）
同步加速器上的真空设备
同步加速器庞大而复杂，除了真空系统外，还包裹着大量的磁铁。这些磁铁会约束加速粒子，给粒子弯转力以控制粒子轨道，使粒子沿既定中心轨道运动。然而， 电磁系统会产生强磁场、强辐射和电磁干扰，对于真空系统会产生很大影响 。
所以，用于质子重离子治疗系统的真空泵和控制器除了要提供超高真空度，还要 在强磁场和强辐射的条件下正常运行 ，测量纳米级的微弱电流，实时调整真空泵的工作电压，确保系统真空保持在适当的水平，这对设备的要求十分严苛。
关于真空系统与加速器的融合，部分真空设备制造商已经积累了丰富经验。比如， 安捷伦已经与欧洲核子研究组织（CERN）及其他主要物理研究中心建立了长达数十年的合作关系 ，对于粒子加速器的真空应用已经非常熟悉。针对粒子加速器对真空系统的特有需求，安捷伦为质子治疗系统开发出专属真空解决方案，可以在强大的磁场和辐射环境下完美运行。这让安捷伦成为许多质子重离子治疗系统制造商的优选合作伙伴。
▲ 安捷伦离子泵安装于超大的质子束聚焦和弯曲磁铁附近（图片来源：MedAustron）
随着医疗领域的快速发展，真空技术在医疗领域的应用也成为行业内部热议的话题。面对医疗设备制造带来的新挑战，真空系统需要解决更多场景应用问题，创新技术，研发新品，助力质子重离子治疗乃至整个医疗科学的发展。
