從“0”到“1”跑出激光“加速度”

▲工作人員在調(diào)試束流傳輸設(shè)備。

?顏學(xué)慶在調(diào)試激光光路。學(xué)校供圖

　　“最快的刀、最準(zhǔn)的尺、最亮的光”，這是科學(xué)家對激光的生動比喻。當(dāng)激光跑出了加速度，又會對癌癥這個頑疾產(chǎn)生怎樣的威懾力？

　　新學(xué)期伊始，位于北京市懷柔科學(xué)城的北京激光加速創(chuàng)新中心已是一片忙碌的景象。“我們剛剛完成了激光加速器各項設(shè)備的整體聯(lián)通，首次實(shí)現(xiàn)了激光從加速到傳輸?shù)娜抗δ??！北本┘す饧铀賱?chuàng)新中心主任、北京大學(xué)物理學(xué)院副院長顏學(xué)慶自豪地向記者介紹，這標(biāo)志著世界上第一臺激光質(zhì)子癌癥治療裝置基本建成，我國激光加速器研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”“并跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變。

　　中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《教育強(qiáng)國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）》指出，強(qiáng)化高水平研究型大學(xué)國家基礎(chǔ)研究主力軍和重大科技突破策源地作用。使命在肩，向著困擾人類幾個世紀(jì)的癌癥，顏學(xué)慶帶領(lǐng)團(tuán)隊發(fā)起了沖鋒。

　　十年磨出“國之重器”

　　何為加速器？在一樓展廳的激光加速腫瘤治療模型面前，顏學(xué)慶做起了科普：“加速器是研究世界最基本的工具。”他舉例說，如果一個原始人撿到一個核桃，想看里面有什么的話，必須加速往地上砸，砸開以后才能看到內(nèi)部。

　　加速器是國際科技競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域。二十世紀(jì)以來，大約超過三分之一的諾貝爾物理學(xué)獎都與加速器及其應(yīng)用有關(guān)。

　　“重大科技創(chuàng)新成果是國之重器、國之利器，必須牢牢掌握在自己手上，必須依靠自力更生、自主創(chuàng)新?！?018年5月，習(xí)近平總書記考察北京大學(xué)，顏學(xué)慶向總書記介紹了微縮激光加速器裝置模型?？倳浀膰谕?，顏學(xué)慶銘記在心。

　　事實(shí)上，造器之路并非一帆風(fēng)順。2006年，顏學(xué)慶在國際上率先提出借鑒“風(fēng)帆原理”的穩(wěn)相光壓加速新方法，卻遭到國外同行的質(zhì)疑，“這張薄‘帆’做不出來”。

　　十年甘坐冷板凳。歷經(jīng)成百上千次的失敗，2017年，加速器初步成形，顏學(xué)慶帶領(lǐng)團(tuán)隊在北大建成國際上首臺1%—5%能散、能量和電量可調(diào)的激光質(zhì)子加速器與輻照裝置。此后，他們又建成了世界上功率最高的1赫茲重頻2拍瓦激光裝置。

　　更短的加速距離和更高的峰值流強(qiáng)，是新一代激光加速器的特點(diǎn)。顏學(xué)慶介紹，與傳統(tǒng)的射頻加速器相比，新一代激光加速器加速距離縮小了上千倍，而峰值流強(qiáng)提高了上千倍?！胺逯倒β时热澜缈偟钠骄l(fā)電功率還要高100倍，如果轉(zhuǎn)換成溫度，它比太陽內(nèi)部還要高100萬倍以上。”

　　激光何以加速？帶著疑問，記者換上隔離服、防塵帽和無菌鞋套，在風(fēng)淋室全身清潔后，進(jìn)入質(zhì)子加速靶場，一排排銀色的真空腔體映入眼簾。工作人員介紹，真空腔體內(nèi)有大口徑反射鏡和反射式聚焦元件，可以把大口徑光束聚焦到一個小點(diǎn)上，與靶材相互作用后產(chǎn)生瞬態(tài)極強(qiáng)電場實(shí)現(xiàn)質(zhì)子加速，這個過程被稱為“打靶”。

　　“類似于用凸透鏡聚焦光線點(diǎn)燃火柴的原理?！鳖亴W(xué)慶用手比畫著，“要讓1萬億億個光子，在同一時間整齊劃一地聚集到一個比頭發(fā)絲還小100倍的點(diǎn)上?！?/p>

　　作為北大深度參與北京懷柔科學(xué)城建設(shè)并承建的重大科研項目，去年，北京激光加速創(chuàng)新中心正式完成工藝和設(shè)備驗(yàn)收，16個實(shí)驗(yàn)研究平臺和七大實(shí)驗(yàn)室輔助設(shè)備平臺全部建成投用。顏學(xué)慶介紹，作為國際上最先進(jìn)的激光加速平臺之一，激光驅(qū)動的超快束流可以應(yīng)用在多個前沿領(lǐng)域，對于腫瘤FLASH放療、核電池、核鐘、材料、能源和超快核物理等研究都將有重要意義。

　　打造腫瘤治療“質(zhì)子刀”

　　為了這一瞬間的加速，這些年，顏學(xué)慶和團(tuán)隊日夜兼程。如果說從原理到樣機(jī)是實(shí)現(xiàn)了從“0”到“1”的突破，那么，目前他們正在從“1”向“100”邁進(jìn)：建成世界上第一臺激光質(zhì)子癌癥治療裝置——飛秒激光“質(zhì)子刀”，并推動其盡快在醫(yī)院落地，造福更多癌癥患者。

　　記者一走進(jìn)位于中心一樓的“治療室”，目光立刻被正中央的一張白色治療床吸引，治療床正前方放置著金屬治療頭。顏學(xué)慶介紹，加速后的質(zhì)子經(jīng)過束流傳輸系統(tǒng)后，就變成了一把鋒利的“質(zhì)子刀”，可以作用于病灶。其原理是質(zhì)子射束在抵達(dá)腫瘤病灶前，能量僅有不足25%的釋放，抵達(dá)病灶時立即釋放至能量峰值，可一旦穿過病灶，釋放的多余輻射又趨近于零。

　　“就像一顆精準(zhǔn)制導(dǎo)的導(dǎo)彈，一路飛過去幾乎不消耗能量，直到抵達(dá)癌細(xì)胞的‘老巢’，才把能量全部釋放出來，把癌細(xì)胞‘炸’掉，而周圍的健康細(xì)胞則基本不受影響。”顏學(xué)慶說。

　　同時，團(tuán)隊還在小鼠實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超高流強(qiáng)質(zhì)子束流不僅能消滅腫瘤，未來還有可能激活免疫系統(tǒng)，抑制腫瘤擴(kuò)散，從而進(jìn)一步開發(fā)出結(jié)合放療與免疫治療的新型癌癥治療方案。

　　數(shù)據(jù)表明，中國每年新增400萬腫瘤患者，其中大約10%的病人屬于早期腫瘤，90%的患者已經(jīng)出現(xiàn)擴(kuò)散，這對放療設(shè)備提出了更高要求。傳統(tǒng)射頻加速器雖可用于臨床局部腫瘤放療，但規(guī)模大、成本高，基建費(fèi)用每臺高達(dá)數(shù)十億元。

　　“基于激光加速器的質(zhì)子放療系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化，一旦研制成功，可以安裝在醫(yī)院，能夠大幅降低癌癥患者的治療費(fèi)用?！鳖亴W(xué)慶透露，中心擬與北京大學(xué)第三醫(yī)院簽署協(xié)議，未來5年內(nèi)，希望國內(nèi)第一臺飛秒激光質(zhì)子刀落戶北京地區(qū)。

　　除了癌癥治療，激光加速器有著豐富的應(yīng)用前景。顏學(xué)慶介紹，中心在多個前沿領(lǐng)域開展了應(yīng)用探索，比如激光加速器可用于模擬太空環(huán)境中的高能輻射條件，幫助研究材料和設(shè)備在極端輻射環(huán)境下的性能和可靠性；通過高能離子束對材料進(jìn)行輻照改性，探索新型納米材料的制備方法，這將為先進(jìn)材料的研發(fā)提供新的技術(shù)手段……

　　吸引“大先生” 培育“大人才”

　　去年10月，北京激光加速創(chuàng)新中心引入“強(qiáng)援”——諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、法國物理學(xué)家杰哈·阿爾貝特·穆魯以北京大學(xué)講席教授的身份正式全職入職北京大學(xué)，指導(dǎo)北京激光加速創(chuàng)新中心加快打造成世界激光加速研究中心。

　　用“大裝置”吸引“大先生”、培育“大人才”，是顏學(xué)慶對中心的定位。目前中心已吸引20多位國內(nèi)外優(yōu)秀科學(xué)家加入，近80位博士、碩士研究生在此研究學(xué)習(xí)。

　　“學(xué)生進(jìn)入中心后將加入不同的課題組，從最基礎(chǔ)的激光實(shí)驗(yàn)做起，在最真實(shí)的科研場景中鍛煉動手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維。”顏學(xué)慶介紹。

　　在這里，一群年輕人全力跑出了加速度。

　　建立國內(nèi)第一臺拍瓦激光質(zhì)子刀觸發(fā)定時系統(tǒng)，是北大物理學(xué)院博士生何強(qiáng)友近期的重點(diǎn)任務(wù)。此前，他已成功完成拍瓦激光加速器的調(diào)光與打靶系統(tǒng)的開發(fā)，并順利實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子出束?！斑@個定時系統(tǒng)好比樂隊的指揮，負(fù)責(zé)引導(dǎo)系統(tǒng)中每個‘樂手’在何時開始演奏，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)配合，共同演繹出一段優(yōu)美的樂章?！?/p>

　　為了盡快推進(jìn)這項工作，何強(qiáng)友保持著每天9點(diǎn)到中心，晚上11點(diǎn)離開的工作節(jié)奏。立志做有價值的科研，兩年前，何強(qiáng)友選擇加入中心，“一想到自己做的研究能造福幾百萬癌癥患者，就覺得渾身充滿干勁”。

　　北大物理學(xué)院博士生吳清范則忙著為“打靶”實(shí)驗(yàn)做優(yōu)化，他負(fù)責(zé)對激光進(jìn)行表征調(diào)控，這是一項考驗(yàn)?zāi)托暮图?xì)心的工作。吳清范將自己比作系統(tǒng)里的一顆“螺絲釘”，“要腳踏實(shí)地，不斷磨煉專業(yè)本領(lǐng)”。

　　顏學(xué)慶透露，一個以穆魯教授名字命名的“M大師班”也在籌備中，計劃近期從大二學(xué)生中選拔，采取本碩博貫通式培養(yǎng)，首批招生不超過10人，打造交叉復(fù)合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)新模式。

　　在實(shí)驗(yàn)室二樓走廊的墻壁上，有一面寫滿了2025年的祝福語，其中，“加速成器”4個大字格外醒目。

　　“希望中心能培養(yǎng)一批頂尖科學(xué)家，為中國飛秒激光技術(shù)引領(lǐng)世界作出更大貢獻(xiàn)?！鳖亴W(xué)慶說。

《中國教育報》2025年03月03日 第01版