质子刀

质子刀为质子加速器的一种商业应用；其主要的应用领域在医学上为癌症肿瘤的放射性治疗，而在半导体或太阳能科学上则是切割晶圆或太阳能基板。

原理质子刀之原理为利用带正电荷的质子在电场中持续加速，达到一定速度和能量之后，射入标的物之内，利用布拉格尖峰(Bragg peak)现象，对特定标的物内在某一深度位置释放大量能量，以达到对物体特定深度区域进行破坏之目的。

发展历史质子刀属于质子加速器的一种商业应用，早期质子加速器都是应用在粒子物理学上的质子加速撞击以发现新的粒子；全世界最大的质子加速器设置于欧洲核子研究中心(CERN)。目前已趋成熟的质子加速器技术则应用到许多不同的商业领域，如医学领域。

自1946年Wilson提出质子治疗建议以来的半个世纪中，质子治疗经过了漫长的发展道路才有今天的巨大成就。质子治疗大致分为三个历史阶段：1946年到1985年间是研发阶段，这阶段没有专用的质子产生装置，寄生在核物理研究所，利用核物理实验的高能质子束研究质子治疗，6个研究所均分布在国外，当时的质子治疗几乎是不收费或少收费，不以赢利为目的。1985年到1998年是实践与应用阶段，主要是利用研发阶段取得的成功经验扩大应用规模和社会服务，在美国，建造质子治疗装置的资金提上了日程，1990年美国loma linda是世界建造的第一台专用质子治疗中心，在其间，质子治疗技术得到了很大的发展。上述形势促使质子治疗进入第三个历史阶段——市场开发阶段，这个阶段估计可延长到21世纪中期。质子治疗装置本是高科技，风险小，质子治疗有巨大的社会价值，因此质子治疗将成为21世纪看好的高科技投资项目。

医学应用装置组成整个质子治疗装置由加速器、能量选择系统、束流输运系统、1-2个旋转治疗头、1-2个固定治疗头、控制系统、剂量测量与定标系统，以及治疗与装置数据库、专用准直器与补偿器加工中心、呼吸门开关控制等部分组成。还要配基建、水、电、气通用设备及屏蔽与安全等配套装置。

治疗方式在医学肿瘤放射治疗上所使用的质子刀，大都采用由碳原子之原子核所制成的重粒子质子加速器，原因是其所携带的能量较大，治疗效果较显著。在实际治疗时，将质子刀以三度空间对位瞄准患者之肿瘤位置，透过携带能量之质子在特定深度会释放大部分能量的布拉格尖峰现象，将大量能量释放于肿瘤中(癌症病灶区)，以达到破坏肿瘤中之癌细胞而不破坏肿瘤外其他正常细胞，乃至最后消除肿瘤之目的。比起传统的X光放射性治疗或伽马刀、光子刀等治疗，质子刀治疗对病灶区周边正常细胞的伤害小很多，相对地副作用也较少。1

质子刀治疗为目前全世界最先进的肿瘤放射治疗技术，但以质子刀为主要设备之质子治疗中心因为设置费用非常昂贵，到2012年为止全世界已成立的质子治疗中心只有约四十座，所治疗的病人总共约七万人。中国之第一座质子治疗中心于2004年12月开始临床使用。

应用范围质子治疗适应症：2

（1）脑和脊髓肿瘤：脑良恶性肿瘤包括脊膜瘤、脑转移瘤、垂体瘤、脑胶质瘤、听神经瘤、颅咽管瘤等；颅底：脊索瘤和软骨瘤。脑血管疾病：脑动静脉畸形、海绵状血管瘤等；其他功能性疾病： 癫痫、三叉神经痛、帕金森等

（2）眼部病变：脉络膜黑色素瘤、视网膜黄斑变性、眼眶肿瘤。

（3）胸部肿瘤：原发性肺癌、转移性肺癌、纵隔肿瘤。

（4）腹部肿瘤：原发或转移性肝癌、肝血管瘤、胰腺癌、胆囊癌、原发或转移性肾上腺癌，原发或转移性肾脏肿瘤、其他腹膜后原发或转移瘤。

（5）盆腔肿瘤：前列腺癌、宫颈癌、直肠癌、其他盆腔复发或转移瘤。

半导体应用在半导体晶圆切割应用上所使用的质子刀，其采用的质子材料则是另外一种由氢原子之原子核所制成的质子加速器。其方法为在真空中将被加速到 1.2 百万电子伏特(MeV)的氢离子均匀地植入(implant)到离晶圆表面深度为20微米的一个平面位置(植入深度和氢离子的植入速度有关)，然后再将晶圆在大气环境中加热，让氢离子的热膨胀效应在该深度层产生均匀的膨胀力，使该层晶圆自然剥离母层。此种质子刀可以将原来用机械切割研磨的晶圆，厚度为600微米，切割到厚度为20微米(20微米约为人类头发厚度之一半)的超薄晶圆并可重复切割；也就是一片原来之厚晶圆可切割成将近三十片超薄晶圆，因此大幅地节省晶圆材料的成本。这种超薄切割技术的另外一个好处是，当物体的厚度到达那么薄的程度，材质的机械结构会变成可绕曲，所制出之成品可以不用被限制须贴附在平整的表面上。

太阳能应用在太阳能基板切割应用上所使用的质子刀，其采用方法和半导体的晶圆切割相同，而被切割材质则更换成太阳能基板。此种基板所制造出来的太阳能板，基板厚度为原来(200微米)的十分之一(20微米)；而因为可以绕曲，在应用到各种非平面的外墙或物体表面弹性非常大，可扩大太阳能板的应用到例如汽车之外壳等领域，大量提升绿能环保的应用范围。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所