[科普中国]-放射性离子束

放射性离子束在它的Bragg 峰区具有良好的剂量局域性和较高的RBE。特别是在德国 GSI，与加速器主动变能配合使用的栅(raster)扫描束流配送系统，和在日本NIRS，与患者呼吸同步的辐照系统使用后，使得重离子束立体适形治疗具有了毫米级精度。重离子束治癌在多种肿瘤临床试验中已经获得史无前例的成功。

概念放射性离子束（RIB）可以为改善癌症治疗效果提供一种新的手段，应用发射β+的放射性离子束10C 或 11C，尽管可以消除治疗计划中重离子射程估计的含糊不清，对提高立体适形治疗的精度将起重要作用，但它们对细胞的杀伤力却贡献甚。然而，存在另一类放射性离子束，如9C-、8B-离子，它们为缓发粒子β+衰变束，在其β+衰变之后，还会发射低能质子和α粒子，这显示：这类放射性离子束是一种双重辐射源，一个来自体外的离子本身，另一个来自离子在体内的缓发粒子，它们对肿瘤实施着双重辐照。这些发射粒子在水中的射程只有几十至几百微米，所以，它们的作用范围，被就地限制在放射性离子束停止的有限区域内。由于这些低能粒子具有很大的BRE (处于4-6 )，因而有着很高的细胞杀死效率。当这类离子入射在感兴趣的区域(肿瘤)内，来自它衰变后的发射粒子一定会提高对癌细胞的杀伤力。1

放射性离子束的产生和加速研究背景20 世纪核物理的一个重要推动力是核反应探针(离子束) 种类的不断更新和增多。 30 年代起为轻离子，如 H、D、3He、4He等；60年代起为重离子，如O、Si、Ni、Cu、I、Au 等；70 年代起为极化离子，如 H、D、T、3He、6Li、23Na 等；80年代起产生新的离子，即放射性核束，如6He、11C、17F、64Cu 等。历史经验表明：每类新离子束的出现都会给核物理和应用以及交叉学科开拓新局面，带来新发现。放射性核束的产生和加速已成为加速器工程技术的一个前沿领域。产生放射性核束有在线法和离线法。在线法是指利用加速器加速的离子轰击反应靶，在线产生放射性核素和离子并加速。在线法又分为弹核碎裂法(PF法) 和在线同位素分离法(ISOL 法)。离线法是利用反应堆辐照( 或其它方法)材料产生感兴趣的放射性核素，置入离子源中产生放射性离子，再注入加速器中加速。

次级放射性束流线的研制次级放射性束流线安装在 HI-13 串列加速器上，由初级反应靶室、二极分析磁铁、磁四极透镜、缝隙仪 、准直器和次级反应靶室等组成，其束流线总体安排如图 1 所示。选用HI -13 串列加速器提供的低能重离子打H或D靶，通过逆几何反应产生感兴趣的放射性离子，再经过分离纯化、聚焦、导向、最后传输到次级反应靶室。在次级放射性束流线上先后获得放射性核束11C、17F、7Be、13N、6He。

放射性核束64Cu 的产生和加速采用离线方法产生和加速放射性离子束的实验研究是在中国原子能科学研究院进行的。首先对放射性核束64Cu 的产生和加速进行了出束实验研究。将高纯度的铜靶放在反应堆里被中子辐照，产生放射性核素64Cu，再置入溅射离子源中产生64Cu 离子，经预加速后，注入 HI-13 串列加速器。其技术难点是：离子源的强放射性64Cu 阴极靶的制备、安装、准直和屏蔽；弱束流64Cu 加速时的加速器调束以及64Cu 的分离和鉴别。2

放射性离子束9C的细胞生物学效应当 9C入射离子停止在感兴趣的区域(肿瘤)内，来自它衰变后的发射粒子一定会提高对癌细胞的杀伤力，这就是为什么要采用 9C 束来探索新的肿瘤治疗技术的理论根据和基本理由，它的成功将会使稳定重离子束治癌技术
得到提升，进一步推动肿瘤治疗的技术进步。

9C 离子束的获得在 HIMAC-SBL 上，采用能量为430 MeV/u、强度为1.8× 109 粒子/s 的12C 离子作为初级束，来产生 9C离子束，为了获得尽可能高的 9C 产生率与纯度，采用了24 mm，40 mm 和56 mm不同厚度的铍靶作为产生靶，3.5 mm 和 10 mm 不同厚度的铝靶作为降能器，通过调束来优化束流线参数。为辐照细胞需要一个面积较大的均匀辐射场，这个辐照场的均匀性采用一个位置灵敏半导体探测器(PSD)进行测量，为了在调制均匀场时减少束流损失，采用点扫描技术代替了先前采用过的摇摆磁铁模式。

研究结果（1）在离子最大阻止几率位置上，9C-束的 RBE 是 12C-束的 1.8 倍。它显示：在Bragg 峰附近，即病灶区，9C-束的细胞杀伤效力要强于12C-束，这表明 9C-束治愈肿瘤更有效。

（2）HSG 细胞在g-射线模拟低剂量率(0.5 Gy/h)时，存活率在半对数坐标上可拟合为一条直线，这表明，单靶一次击中模型是适合于模拟低剂量率下的g-照射，它不同于急性照射(0.5 Gy/min)下的线性-平方模型。它暗示：在剂量脉冲给予照射时，亚致死损伤是可以完全修复的。

（3）束流参数即使被优化，但入口处9C-束的剂量率仍然相当低(仅0.5 Gy/h)，这是由于它的产生率较低。但是，正常的重离子束治疗剂量率需要5Gy/min 左右。根据测得的深度剂量分布，在G和H位置上(见图 2)相应于入口剂量率0.5Gy/h 的剂量率应分别为0.90和0.76Gy/h，平均为0.83 Gy/h(即0.014 Gy/min)，因此，为满足正常治疗的剂量率(5Gy/min)，初级束的强度必须增加 357 倍，即初级离子束 12C 的强度至少需要6.4×1011粒子/s。3

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所