質子刀

質子刀之原理為利用帶正電荷的質子在電場中持續加速，達到一定速度和能量之後，射入標的物之內，利用布拉格尖峯(Bragg peak)現象，對特定標的物內在某一深度位置釋放大量能量，以達到對物體特定深度區域進行破壞之目的。

質子刀屬於質子加速器的一種商業應用，早期質子加速器都是應用在粒子物理學上的質子加速撞擊以發現新的粒子；全世界最大的質子加速器設置於歐洲核子研究中心(CERN)。已趨成熟的質子加速器技術則應用到許多不同的商業領域，如醫學領域。

自1946年Wilson提出質子治療建議以來的半個世紀中，質子治療經過了漫長的發展道路才有今天的巨大成就。質子治療大致分為三個歷史階段：1946年到1985年間是研發階段，這階段沒有專用的質子產生裝置，寄生在核物理研究所，利用核物理實驗的高能質子束研究質子治療，6個研究所均分佈在國外，當時的質子治療幾乎是不收費或少收費，不以贏利為目的。1985年到1998年是實踐與應用階段，主要是利用研發階段取得的成功經驗擴大應用規模和社會服務，在美國，建造質子治療裝置的資金提上了日程，1990年美國loma linda是世界建造的第一台專用質子治療中心，在其間，質子治療技術得到了很大的發展。上述形勢促使質子治療進入第三個歷史階段——市場開發階段，這個階段估計可延長到21世紀中期。質子治療裝置本是高科技，風險小，質子治療有巨大的社會價值，因此質子治療將成為21世紀看好的高科技投資項目。

2023年11月24日，上海瑞金醫院發佈消息，“抗癌利器”國產首台質子治療裝置在該院“正式上崗”。 ^[3] 

整個質子治療裝置由加速器、能量選擇系統、束流輸運系統、1-2個旋轉治療頭、1-2個固定治療頭、控制系統、劑量測量與定標系統，以及治療與裝置數據庫、專用準直器與補償器加工中心、呼吸門開關控制等部分組成。還要配基建、水、電、氣通用設備及屏蔽與安全等配套裝置。

在醫學腫瘤放射治療上所使用的質子刀，大都採用由碳原子之原子核所製成的重粒子質子加速器，原因是其所攜帶的能量較大，治療效果較顯著。在實際治療時，將質子刀以三度空間對位瞄準患者之腫瘤位置，透過攜帶能量之質子在特定深度會釋放大部分能量的布拉格尖峯現象，將大量能量釋放於腫瘤中(癌症病灶區)，以達到破壞腫瘤中之癌細胞而不破壞腫瘤外其他正常細胞，乃至最後消除腫瘤之目的。比起傳統的X光放射性治療或伽馬刀、光子刀等治療，質子刀治療對病灶區周邊正常細胞的傷害小很多，相對地副作用也較少。 ^[1] 

質子刀治療為全世界最先進的腫瘤放射治療技術，但以質子刀為主要設備之質子治療中心因為設置費用非常昂貴，到2012年為止全世界已成立的質子治療中心只有約四十座，所治療的病人總共約七萬人。中國之第一座質子治療中心於2004年12月開始臨牀使用。

質子治療適應症： ^[2] 

（1）腦和脊髓腫瘤：腦良惡性腫瘤包括脊膜瘤、腦轉移瘤、垂體瘤、腦膠質瘤、聽神經瘤、顱咽管瘤等；顱底：脊索瘤和軟骨瘤。腦血管疾病：腦動靜脈畸形、海綿狀血管瘤等；其他功能性疾病： 癲癇、三叉神經痛、帕金森等

（2）眼部病變：脈絡膜黑色素瘤、視網膜黃斑變性、眼眶腫瘤。

（3）胸部腫瘤：原發性肺癌、轉移性肺癌、縱隔腫瘤。

（4）腹部腫瘤：原發或轉移性肝癌、肝血管瘤、胰腺癌、膽囊癌、原發或轉移性腎上腺癌，原發或轉移性腎臟腫瘤、其他腹膜後原發或轉移瘤。

（5）盆腔腫瘤：前列腺癌、宮頸癌、直腸癌、其他盆腔復發或轉移瘤。

在半導體晶圓切割應用上所使用的質子刀，其採用的質子材料則是另外一種由氫原子之原子核所製成的質子加速器。其方法為在真空中將被加速到 1.2 百萬電子伏特(MeV)的氫離子均勻地植入(implant)到離晶圓表面深度為20微米的一個平面位置(植入深度和氫離子的植入速度有關)，然後再將晶圓在大氣環境中加熱，讓氫離子的熱膨脹效應在該深度層產生均勻的膨脹力，使該層晶圓自然剝離母層。此種質子刀可以將原來用機械切割研磨的晶圓，厚度為600微米，切割到厚度為20微米(20微米約為人類頭髮厚度之一半)的超薄晶圓並可重複切割；也就是一片原來之厚晶圓可切割成將近三十片超薄晶圓，因此大幅地節省晶圓材料的成本。這種超薄切割技術的另外一個好處是，當物體的厚度到達那麼薄的程度，材質的機械結構會變成可繞曲，所製出之成品可以不用被限制須貼附在平整的表面上。

在太陽能基板切割應用上所使用的質子刀，其採用方法和半導體的晶圓切割相同，而被切割材質則更換成太陽能基板。此種基板所製造出來的太陽能板，基板厚度為原來(200微米)的十分之一(20微米)；而因為可以繞曲，在應用到各種非平面的外牆或物體表面彈性非常大，可擴大太陽能板的應用到例如汽車之外殼等領域，大量提升綠能環保的應用範圍。