馭核融醫(yī)：回旋加速器的前世今生

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一臺加速器

改變人類認知邊界

看過《三體》的朋友可能對三體文明制造的智子干擾人類的加速器，從而鎖死物理學進步的設定有深刻印象。

現(xiàn)實中，近代物理學研究，特別是粒子物理與高能物理研究也確實是在加速器技術基礎上建立的。

圖1：希格斯玻色子“上帝粒子”對撞事件圖

物理學要回答的基本問題是：世界由什么構成？它們之間是如何相互作用的？

為了回答這些問題，科學家通常把粒子加速到接近光速，用它們去“撞擊”物質，從而窺見更深層的結構。

從原子核到質子、中子再到夸克；從反物質的發(fā)現(xiàn)到弱電統(tǒng)一理論的驗證，這些重大突破幾乎都離不開加速器。

可以說，20世紀后半葉至今的高能物理發(fā)展史，本質上就是加速器技術不斷突破能量極限的歷史。

其中回旋加速器作為典型代表，它不僅推動了粒子物理的發(fā)展，還深刻影響了核工業(yè)、國防、醫(yī)學等領域。更令人矚目的是，它如今正在成為精準醫(yī)療時代的核心基礎設施。

尋找微觀世界的“子彈”

從天然射線到勞倫斯的“魔盒”

20世紀初，人們利用天然放射源（比如鐳、釙）產生的粒子作為轟擊物質的炮彈，比如著名的盧瑟福α粒子散射實驗中，科學家基于實驗結果提出了原子核式結構的行星模型。

圖2：盧瑟福α粒子散射實驗示意圖

天然放射源的能量低，強度弱，打不動更重的原子核。科學家開始尋求人工加速的方法以制造更高能、更可控的粒子源。

最先考慮的是直線加速器（高壓倍壓加速器）的技術方案，1932年人類憑借一臺高壓倍壓加速器將質子加速到0.4MeV并轟擊鋰原子核，產生了兩個氦原子，開啟了人工誘發(fā)核反應的時代。

但是這種方案也有很大局限性:能量上限受限于單次加速的電壓極值，高壓環(huán)境下絕緣極易擊穿，且設備體積極其臃腫。能量提升與工程可行性之間存在巨大矛盾。

為了以更經濟的方式獲得高能粒子束，20世紀物理學大廈的主要構建者歐內斯特·勞倫斯于20世紀30年代初發(fā)明了回旋加速器。

利用電磁力讓粒子在有限磁場空間里“繞圈”反復通過電場加速，不需要像直線加速器一樣建立很長的管道；同時利用低電壓多次累加，避開了高電壓擊穿絕緣的問題，很容易能把粒子加速到MeV的量級。勞倫斯也因此斬獲1939年諾貝爾物理學獎。

回旋加速器原理，視頻來源：地球小視

回旋加速器的發(fā)展開啟核物理實驗時代。人類借助回旋加速器首次人工合成了當時在自然界中不存在的元素（如43號锝，其英文Technetium本意即為“人工的、人造的”），并隨后陸續(xù)合成了61號钷、85號砹等，填補了元素周期表的空白。

同時，勞倫斯團隊還主導發(fā)現(xiàn)了93至103號超鈾元素。為紀念勞倫斯的偉大貢獻，第103號元素被命名為鐒（Lawrencium），實在是屬于理工男的終極浪漫了。

解決失步問題

加速器突破相對論效應的制約

困擾經典回旋的失步問題

回旋加速器利用交變電場加速粒子，但隨著粒子速度逼近光速，相對論效應開始凸顯：根據(jù)公式 ，粒子質量隨速度增加而增大，導致粒子回旋周期變長。

低速粒子轉半圈后進入加速區(qū)剛好趕上交變電場變換方向從而進行加速，而高速粒子會“遲到”，錯過電場的最佳加速時機，甚至遇到反向電場而被減速，這就是“失步”效應，使加速器的能量上限鎖死在20-30MeV。

圖3：失步效應示意圖

分批加速：同步回旋加速器

為了獲得更高能的粒子，科學家需要進一步改進回旋加速器。

最直觀的方案是，既然粒子越轉越慢，那么可以調節(jié)交變電場頻率“追隨”粒子同步下降。

1945年勞倫斯團隊按此方案將一臺經典回旋加速器改造為同步加速器，把粒子加速到350MeV的水平，并憑此在1958年首次觀察到Π介子的衰變。

同步加速器可將粒子輕松加速至GeV量級，但也帶來一些問題：電場頻率需周期性調節(jié)，這導致粒子只能一批一批地加速，最終只能輸出脈沖束流而不是連續(xù)束流。

如果把經典回旋比作“扶梯”，粒子可以源源不斷進入加速軌道；那么同步回旋更類似“直梯”，為保持與粒子節(jié)奏同步，電場頻率從高到低“往返調度”，粒子只能在特定的時間窗口成批進入，因此束流呈現(xiàn)脈沖的狀態(tài)，強度（流強）也很難做得很大。那么如何獲得連續(xù)的、更高流強的束流呢？

連續(xù)加速：等時性回旋

科學家提出新的解法，其中1938年的梯度磁場方案為回旋加速器的進化指明了方向。通過物理縮減外圈磁極間隙，構建出一個向外增強的梯度磁場。

這種磁場布局補償了粒子的相對論質量增量，確保其運動周期恒定，這就是等時性回旋加速器原理。

圖4：等時性回旋設計示意圖

然而看似完美的工程方案卻引發(fā)了致命的副作用——軸向散焦。

在加速器設計中，磁場隨著半徑變化的趨勢（磁場降落指數(shù)n）決定了束流的聚焦特性。不同于常規(guī)梯度磁場（n>0）產生將束流收攏在中心平面的軸向聚焦力，等時性設計的反梯度磁場（n<0）具有顯著軸向散焦力。

類似于光線穿過凹透鏡，粒子會受到散焦力迅速垂直發(fā)散，飛出加速軌道撞到周圍的磁鐵表面灰飛煙滅。

表1：磁場類型與磁場降落指數(shù)對應關系表

為了打破“等時”與“聚焦”無法兼得的魔咒，科學家提出了扇形聚焦（AVF）方案：將磁極表面設計成“峰谷交替”的扇形結構。

這種磁鐵結構會產生一個角向的磁場分量，使偏離中央平面的粒子在由谷區(qū)進入峰區(qū)或者由峰區(qū)進入谷區(qū)時，都能受到軸向聚焦力的作用，被拉回到中央平面。

這種巧妙的交替設計，使得加速器不僅能將粒子 能量提升至上百MeV，還能輸出連續(xù)且高質量的束流。

圖5：扇形聚焦的等時性回旋加速器磁機結構

該技術于1960年后成熟，成為中能加速器的主流，廣泛應用于物理研究、同位素生產和半導體離子注入。

更小但更高能：超導回旋加速器

為了探索更深層的微觀世界，科學家們不斷突破粒子加速的能量極限，然而傳統(tǒng)加速器過于依賴增加電磁鐵體積來維持運行軌跡，導致設備體積龐大，重量動輒數(shù)百乃至上千噸，且運行時的耗電量極其驚人，在物理空間和經濟成本上都遭遇了難以突破的瓶頸。

圖6：回旋加速器系統(tǒng)重量隨可加速粒子能量變化（常規(guī)vs超導）

為解決這個問題，科學家引入了超導技術，誕生了超導回旋加速器。它利用超導材料在低溫下零電阻特性，在極為緊湊的體積內激發(fā)異常強大的磁場，這不僅一舉擺脫了傳統(tǒng)設備龐大笨重的軀殼，還能更高效、更穩(wěn)定地將粒子加速到前沿研究所需的極高能量水平。

但與此同時，超導系統(tǒng)需要持續(xù)維持低溫環(huán)境，其制冷系統(tǒng)本身也帶來了不可忽視的能耗與工程復雜性。

從科學工具到國家力量

核時代的加速器

曼哈頓計劃

人類的任何科技成果，都會被優(yōu)先使用在軍事領域，回旋加速器也不例外。勞倫斯團隊利用其原理開發(fā)了鈾235和鈾238的電磁分離工藝，并為反應堆生產钚提供強中子源，直接推動了曼哈頓計劃及原子彈的誕生。

中國核工業(yè)的萌芽

中國的核工業(yè)起步也與加速器息息相關。1949年，在只有30萬美元外匯儲備的情況下，周恩來總理特批5萬美元外匯，支持物理學家錢三強在法國采購核物理研究設備與文獻。

盡管采購加速器受阻，但帶回的文獻儀器和約里奧·居里贈送的鐳源，成為中科院近代物理所的奠基裝備。

幾十年后回頭看，中央做了一項中國歷史上最為偉大的風險投資：在國家最窮最動蕩的年代布局了一項難以在短期兌現(xiàn)回報的事業(yè)。

1958年，在蘇聯(lián)援助下，中國建成了第一座實驗性反應堆和一臺1.2m回旋加速器（史稱“一堆一器”），標志著中國正式邁入原子時代，為國家安全奠定了基石。

跨界醫(yī)療

從分子顯像到精準放療

其實講到這里，回旋加速器一直是一個粒子物理研究工具，和醫(yī)學領域沒有發(fā)生什么關系。1976年，科學家利用放射性同位素32P標記的α珠蛋白探針對胎兒地中海貧血進行分子診斷，標志著核技術向臨床醫(yī)學延伸。在此基礎上分子影像與新型放療技術不斷發(fā)展，逐步孕育出當今極具潛力的核醫(yī)療賽道。

醫(yī)學影像的分子時代

分子影像雖與超聲、CT、MR同屬醫(yī)學影像，但本質截然不同。大多數(shù)疾病（除感染、表觀遺傳疾病、物理損傷）的病因，均可歸因于分子層面的異常和紊亂，并最終累積為組織或器官的結構性病變。

圖7：疾病發(fā)展與影像干預示意圖

傳統(tǒng)影像技術（如CT、超聲、MR）依賴組織層面的物理差異成像，本質上只能在病變發(fā)展到一定階段后“看到結果”，卻難以揭示病因，且只能在疾病發(fā)生后期才能檢測到明顯異常。

相比之下，分子影像通過放射性核素標記探針，直接作用于功能蛋白或相關生化過程，實現(xiàn)對疾病發(fā)生機制的可視化、定量分析與早期診斷。這一能力使醫(yī)學影像從“發(fā)現(xiàn)異常”邁向“解析原因”，為精準診療奠定基礎。

早期分子影像以單光子發(fā)射計算機斷層成像（SPECT）為代表，但其可用核素有限（如锝-99、鉈-201等金屬核素），且單光子成像 分辨率較低。

隨著技術發(fā)展，正電子發(fā)射斷層顯像與CT融合的PET-CT問世，實現(xiàn)了功能顯像與結構顯像的融合。核素的種類也擴展到氟-18、碳-11、氮-13、氧-15等非金屬核素和鎵-68、銅-64、鋯-89、銦-111等金屬核素，可以標記代謝類、蛋白、肽、基因片段等各種探針，顯著提升成像精度與應用范圍。

分子影像首次賦予了人類分子層面的診斷視野，而作為最高效同位素生產引擎的回旋加速器，已無可替代地成為核醫(yī)學發(fā)展的核心基建。

回旋加速器的創(chuàng)新應用：從診斷到治療

在下一節(jié)介紹前，我們需要先科普一個小知識：不同放射性核素的物理衰變特性，直接決定了其在現(xiàn)代核醫(yī)學中的臨床定位。

不同核素在衰變過程中釋放的粒子類型與能量沉積方式差異顯著：γ射線穿透力強，可穿出人體被體外探測器捕獲，適用于成像診斷；β粒子（電子）與α粒子射程較短，但能量沉積集中，可對局部組織產生高效殺傷，因此更適用于治療。

詳見下表：

表2：不同衰變類型的物理特性及對應的臨床應用

2020年以后快速興起的放射性配體療法（RLT）的核心競爭力源于雙維度的邏輯創(chuàng)新：

首先，構建創(chuàng)新——RLT實現(xiàn)了“靶向基團+放射性核素”的精準耦合。利用同位素衰變的物理差異，在同一靶向基礎上靈活切換診斷/掃描，將藥物研發(fā)從隨機篩選轉變?yōu)榭深A測的標準化設計。

其次，模式創(chuàng)新——RLT構建了診療一體化的閉環(huán)。在治療之前先通過診斷同位素進行PET成像判斷靶點的表達水平，再用治療同位素標記同樣靶向分子對高表達患者進行治療，模式創(chuàng)新驅動醫(yī)療邏輯從“按病投藥”轉向“按靶點治療”。

圖8：Pluvicto全球銷售額及同比增長圖

這種模式的商業(yè)價值已經得到驗證。

2021年，諾華上市首款RLT藥物——Pluvicto，曾獲得FDA的突破性療法（BTD）認定。其銷售額快速增長，2025年的銷售額已經接近20億美元，推動核藥成為創(chuàng)新藥研發(fā)中最活躍的賽道之一。

回旋加速器在核醫(yī)療領域的應用進一步拓展：不僅支撐氟-18、鎵-68等診斷核素供應，還逐步參與治療核素（部分α核素與β?核素）的制備，成為連接分子影像與精準治療的核心基礎設施。

關于同位素和RLT的情況，我們會在后續(xù)的文章里詳細介紹，這里就先不展開介紹了。

質子治療、BNCT與FLASH治療：精準放療的未來

回旋加速器產生的粒子束不僅可用于制備同位素，更能直接作為“手術刀”應用于腫瘤放射治療，形成了多種前沿放療技術。

質子治療

回旋加速器加速的質子束在人體內呈現(xiàn)典型的布拉格峰效應：進入人體時能量釋放較低，在特定深度突然達到峰值并迅速衰減。這一特性使醫(yī)生通過規(guī)劃質子束的行進路徑能夠將最大劑量精確集中于腫瘤位置，同時顯著降低對周圍正常組織的損傷。

圖9：“布拉格峰”示意圖

自1990年洛瑪琳達大學醫(yī)學中心建成全球首個醫(yī)院級質子治療中心以來，質子治療已成為高端放療的重要方向之一。

硼中子俘獲治療（BNCT）

回旋加速器也可以通過質子束流轟擊中子轉化靶，進而產生中子束流，支撐硼中子俘獲治療的發(fā)展。

該技術通過讓腫瘤細胞選擇性富集硼-10，中子束流照射富集了硼-10的腫瘤細胞，通過核反應實施細胞級精準爆破。這被視為一種極具潛力的“靶向放療黑科技”。

圖10：硼中子俘獲療法基本原理示意圖

FLASH放療

傳統(tǒng)放療通常以低劑量率（<0.03Gy/s）遞送，其固有局限性在于腫瘤控制與健康組織耐受之間很難找到一個完美的平衡點。

2014年提出FLASH放療（簡稱閃療，F(xiàn)lash-RT）概念，閃療是一種以超高劑量率（超過40Gy/s）射線在極短時間內（毫秒）對生物進行照射，誘導”FLASH效應”——在維持抗腫瘤效果的同時，大幅降低正常組織損傷。

這一機制被認為可能打破傳統(tǒng)放療中“療效—毒性”的權衡關系，代表未來放療的重要發(fā)展方向。

表3：常規(guī)放療與閃療對比

總體來看，回旋加速器正從單一的“同位素生產設備”，演變?yōu)樨灤┓肿釉\斷—靶向治療—粒子放療的核心技術平臺，持續(xù)推動核醫(yī)療向精準化、一體化方向演進。

圍繞回旋加速器的各類衍生放療技術及背后的物理原理與臨床優(yōu)勢，我們將在后續(xù)文章中作專題解析，這里先不贅述。

場景升級催生需求升維

國產突破破解“卡脖子”問題

回旋加速器市場的“升維”增長

回旋加速器自誕生以來，長期作為核物理研究的基礎工具存在，直到近二十年才逐步在醫(yī)學領域得到廣泛應用。

2020年以前，國內需求主要由PET/SPECT診斷驅動，隨著核醫(yī)學科室從一、二線城市向縣域醫(yī)院下沉，設備需求穩(wěn)步增長，但整體規(guī)模有限，年新增裝機量不超過10臺，整體處于平穩(wěn)發(fā)展階段。

2020年以后，隨著核醫(yī)學與腫瘤治療技術突破，回旋加速器的應用場景快速拓展，行業(yè)由“診斷驅動”邁向“診療一體化驅動”，需求呈現(xiàn)出明顯的“升維增長”特征，主要體現(xiàn)在三個層面：

其一，治療核藥崛起，推動設備端需求升級。

放射性藥物的商業(yè)化成功帶動了177Lu、225Ac等新型核素需求。

為實現(xiàn)規(guī)模化、合規(guī)化供應核素，也對設備性能和生產業(yè)態(tài)提出了新要求：

一方面需要研發(fā)更高能級、應用場景更豐富的加速器及配套核素產線設備，以滿足行業(yè)多元需求；

另一方面通過集中化、專業(yè)化的核素供應設施，降低固定資產與研發(fā)投入門檻。

其二，診療一體化深化，催生多核素矩陣需求。

伴隨診療一體化規(guī)模化臨床應用，診療核素正從68Ga（顯像）+177Lu（治療）等經典組合向多品類迭代，臨床所用診斷、治療同位素品類日趨多元。

傳統(tǒng)單一核素生產模式已難以適配當下需求，行業(yè)亟須構建多模態(tài)耦合、高靈活性與兼容性的生產體系，實現(xiàn)多核素協(xié)同制備，精準匹配臨床的多樣化需求。

其三，新型放療落地，實現(xiàn)向“治療平臺”的跨越。

BNCT、FLASH為代表的新一代放療技術逐步進入臨床，推動回旋加速器由傳統(tǒng)的“后端同位素制備”向“前端治療核心裝備”轉型。

總體來看，在治療核藥、診療一體化與新型放療的共同驅動下，行業(yè)需求加速釋放，預計2026年國內新增醫(yī)用回旋加速器訂單超30臺，行業(yè)邁入“加速成長期”。

根據(jù)行業(yè)報告統(tǒng)計，2023年中國醫(yī)用回旋加速器市場規(guī)模為18.5億元，預計到2030年將突破45億元，年復合增長率在13.5%-15.2%之間。

圖11：中國核醫(yī)學及設備發(fā)展現(xiàn)狀（2019vs2024）

國產回旋加速器：一邊進口替代，一邊揚帆出海

回旋加速器屬于高壁壘、高集中度行業(yè)，長期以來由GE Healthcare、IBA、Sumitomo Heavy Industries、Advanced Cyclotron Systems Inc.等少數(shù)國際廠商主導，其核心技術多源于海外科研機構轉化。

我國自從1958年引入“一堆一器”后，國內多家單位均嘗試通過自主研發(fā)或和國外廠商合作開發(fā)國產的回旋加速器。在這個過程中，也曾經有一些單位走到過樣機試制的階段，但很遺憾都沒有實現(xiàn)自主知識產權和產品的產業(yè)化。

2007年開始，中國工程物理研究院通過正向研發(fā)，用近十年時間成功推出首款完全自主知識產權回旋加速器樣機。

2017年，四川玖誼源粒子科技有限公司應運而生，承擔起將院所產生的頂尖科研成果轉化為民生重器的使命。

經過4年高強度研發(fā)與產業(yè)化攻關，玖誼源于2021年實現(xiàn)在醫(yī)療機構首次裝機，填補了國內產業(yè)化空白。

短短數(shù)年間，國產回旋加速器在產品性能與市場占有率上雙雙發(fā)力，打破了進口品牌的長期壟斷，展現(xiàn)出強勁的增長態(tài)勢。

全球主流的回旋加速器廠商中，大部分都具備小型回旋的生產制造能力，但在中能回旋和高能回旋領域，不少國外廠商就顯得力不從心了；而新型的花瓣加速器僅有比利時的IBA有能力研發(fā)。國產廠商在全序列產品線上均有產品推出，已經具備了和國際頂尖廠商一較高下的技術實力。

表4：全球回旋加速器主要制造商產品序列情況

從市場端來看，2021年以前，國內主要的加速器市場一直被GE、住友、IBA三家壟斷。

圖12：2022年國內回旋加速器的市場競爭格局

而2025年的新增市場中，可以看到已經形成了玖誼源和GE醫(yī)療平分秋色的格局。

圖13：2025年國內回旋加速器新增裝機品牌占比

在存量市場中，國產品牌憑借近年來的快速增長，也在市場上發(fā)出了有力的聲音。

圖14：2025年國內回旋加速器的市場競爭格局

此外，國產回旋加速器不僅在國內市場攻城略地，也逐步向海外市場拓展。依托“中國智造”的強大力量，中國從當年的“技術引進方”，逆襲為如今的技術與設備輸出方。

以玖誼源為代表的中國加速器企業(yè)揚帆出海，用中國智造書寫大國重器的核醫(yī)療新篇章。

圖15：國產加速器海外拓展情況

關于回旋加速器的前世今生，差不多就是這些內容了。

下一篇文章，我們將從核藥（RLT）開始，逐篇介紹加速器在核素生產、放療裝備、海外市場拓展的情況，敬請各位讀者持續(xù)關注。

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