加速成器

“什么是加速器？”

“這涉及到專業(yè)詞語，有點(diǎn)不太好回答。”

(相關(guān)資料圖)

與北京大學(xué)物理學(xué)院副院長、北京激光加速創(chuàng)新中心主任顏學(xué)慶的采訪約在了周日早8時。這是他硬擠出來的一個多小時，10時他必須趕到一個研討會現(xiàn)場。

雙方坐定，省去了寒暄，第一個問題，顏學(xué)慶就直奔主題：“大多數(shù)人都會覺得加速器這個詞挺奇怪，很陌生。它是典型的基礎(chǔ)物理裝置和儀器，毫不夸張地說，這是人類有史以來最偉大的儀器之一。”

他給出數(shù)據(jù)支撐：“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)，很多微觀粒子的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用也與加速器相關(guān)。”

顏學(xué)慶與這件“重器”的緣分，可以追溯到2004年。此后的19個冬夏，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從常規(guī)射頻加速器轉(zhuǎn)入到激光加速器領(lǐng)域，不斷實(shí)現(xiàn)著從0到1的突破：率先提出激光穩(wěn)相光壓加速的原理，建成世界上首臺超小型激光加速器輻照裝置，開啟截至目前周期最長的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)——“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目……

一路獨(dú)開生面，顏學(xué)慶卻說自己是個“死腦筋”：“我去逛商場，說買鞋就是買鞋，買了就走，不太會享受逛的樂趣。在工作中也一樣，只要認(rèn)準(zhǔn)了方向，就專注于要做的事情，想辦法去解決碰到的問題，盡力做到極致。”

?唯快不破

到底什么是加速器？什么是激光加速器？

顏學(xué)慶打了個比方：“一個原始人撿到一個核桃，想看看里面的結(jié)構(gòu)，用牙又咬不開，怎么辦？高舉石頭快速砸核桃，或者舉起核桃快速地往地上砸。加速器的原理雷同，用加速的射線‘打開’原子，甚至探究更深層次的結(jié)構(gòu)。”

坐飛機(jī)過安檢，在醫(yī)院拍胸片，都是以電子加速方式在一小片固定空間里產(chǎn)生X射線，看穿行李，看透皮肉。手機(jī)芯片和各種半導(dǎo)體元件，也必須用到加速器來摻雜。廣東的荔枝出口國外或者南美洲的車?yán)遄舆\(yùn)來中國前，也可能會用射線來保鮮，延長保質(zhì)時間。顏學(xué)慶借用老師陳佳洱院士的話下定義，“加速器是一個‘頂天立地’的學(xué)科——‘頂天’是說向科學(xué)技術(shù)的最前沿發(fā)起沖鋒；‘立地’則是將高精尖的科學(xué)技術(shù)落地轉(zhuǎn)化，應(yīng)用于民。”

激光加速器是下一代新型粒子加速器——利用超高峰值功率的脈沖激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的瞬態(tài)高強(qiáng)度靜電場加速質(zhì)子或者電子，僅需數(shù)百微米就可將質(zhì)子加速到百兆電子伏量級，產(chǎn)生的質(zhì)子束具有寬能譜、脈沖短（皮秒量級）、源尺寸小（微米）及能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)。“激光加速器在設(shè)備需求空間、安裝難度、運(yùn)行和維護(hù)成本、輻射防護(hù)難度、系統(tǒng)復(fù)雜程度等方面都有優(yōu)勢。”

“基于激光加速器的質(zhì)子放療系統(tǒng)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。”這也是顏學(xué)慶帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正在深耕的方向：利用激光加速器打造“質(zhì)子刀”，精準(zhǔn)切除癌細(xì)胞，同時盡量保護(hù)人體正常細(xì)胞。這個項(xiàng)目的學(xué)名是“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”。

“傳統(tǒng)的質(zhì)子刀對治療沒有擴(kuò)散的腫瘤，效果較好，非常適用于治療早期腫瘤患者。以中國為例，每年新增400萬腫瘤患者，其中大約10%的病人屬于早期腫瘤；而其余90%的患者已經(jīng)出現(xiàn)了擴(kuò)散，臨床上通常會進(jìn)行化療、細(xì)胞治療和中醫(yī)治療等，療效往往并不理想。”顏學(xué)慶說，2018年前后，他們通過激光加速器產(chǎn)生的穩(wěn)定質(zhì)子束流對小鼠進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)可以抑制腫瘤的擴(kuò)散。

面對這個意外之喜，研究團(tuán)隊(duì)成員下意識的反應(yīng)是：“不會做錯了吧？要不換一組人再試試？”

連換兩撥人，還請了另一家單位各自蒙眼實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論一致——確實(shí)有效。

“最近幾年，我們陸續(xù)完成了上百只小鼠的測試，發(fā)現(xiàn)確實(shí)可以起到抑制腫瘤的療效。”2019年，科技部立項(xiàng)。這也是目前該部第一個跨了3個五年計(jì)劃的項(xiàng)目。

“無論是科技部還是我們，當(dāng)然都希望越快出成果越好，但必須遵循客觀規(guī)律。”顏學(xué)慶嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡B用了兩個“必須”，“這是一個帶有基礎(chǔ)研究性質(zhì)的項(xiàng)目，必須符合科學(xué)規(guī)律，項(xiàng)目很難100%保證成功，可我們比誰都清楚，如果能成功造出這臺激光加速器放療系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)科研預(yù)期，每年僅中國就將有數(shù)以百萬的患者獲益，所以我們團(tuán)隊(duì)上下齊心，全力以赴專注于激光加速器的研發(fā)工作！”

團(tuán)隊(duì)的日程表貼在實(shí)驗(yàn)室二樓的墻上，上面的格子密密麻麻，透露出一股子豁出去的拼勁兒：今年3月，工程樣機(jī)開始進(jìn)場安裝；4月28日，第一階段中期檢查順利完成；今年年底前，組裝并完成初步調(diào)試；到明年年底，完成第一階段驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；力爭明年啟動免疫治療臨床實(shí)驗(yàn)……到2030年11月，建成束流穩(wěn)定可靠的重頻百兆電子伏激光質(zhì)子放療原理樣機(jī)以及基于激光加速器的質(zhì)子放療工程樣機(jī)，構(gòu)建激光加速大科學(xué)裝置，通過國家市場監(jiān)督管理總局認(rèn)證。

“激光加速器的應(yīng)用十分廣泛，我們也同步開展了其他的應(yīng)用嘗試。”顏學(xué)慶舉了幾個例子，目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)千種原子核，其中很多屬于短壽命的同質(zhì)異能態(tài)核。它們壽命短，很難被現(xiàn)有辦法測量，為此，團(tuán)隊(duì)提出一系列新思路：可以加速超短電子束，經(jīng)過韌致輻射產(chǎn)生超快伽馬射線，再采用光核反應(yīng)來測量毫秒量級的同質(zhì)異能態(tài)核參數(shù)；激光可以操縱原子和分子，超快的伽馬激光如果可以穩(wěn)定輸出，就有望操控原子核；通過磁約束聚變打造的人造小太陽，堆芯內(nèi)部的溫度高達(dá)上億攝氏度，溫度計(jì)顯然測不了，激光驅(qū)動的超快離子束就可以實(shí)現(xiàn)二維磁場的診斷……

這種自由的研究模式，是顏學(xué)慶享受的科研狀態(tài)。他說，基礎(chǔ)學(xué)科研究就像是挖坑，可以天馬行空，挖不出來也不會被嘲笑；而一旦取得突破，如果能夠用于某些重要需求的時候，可以停下來不再挖坑，當(dāng)然也不能徹底停下來什么都不做，他笑著說：“可以考慮栽樹，培育森林。”

?10年造器

將視線拉回到加速器本身，打造它的第一步，是考慮如何加速。

2004年，顏學(xué)慶在北大博士畢業(yè)后留校任教。“當(dāng)時學(xué)校正改革，‘老人’做出新東西才能有發(fā)展。”顏學(xué)慶回憶，當(dāng)時恰逢激光尾波場電子加速器大發(fā)展，美歐等科學(xué)家提出用強(qiáng)激光做離子加速的想法，但在原理上沒有實(shí)現(xiàn)突破。“雖然當(dāng)時電子加速取得了重要突破，但是離子要比電子重1000倍以上，因此離子加速更為困難。”

2006年，顏學(xué)慶在閱讀了大量文獻(xiàn)，積累了一定基礎(chǔ)后，率先提出借鑒“風(fēng)帆原理”的穩(wěn)相光壓加速新方法。“靈感來自大量的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。當(dāng)激光打向厚度僅有幾納米的固體靶，可以隱約看到帆的影子——光壓可以推動質(zhì)子，這就為高品質(zhì)的質(zhì)子束流產(chǎn)生提供了可能性。”

一次國際會議上，顏學(xué)慶拋出想法，收獲最多的卻是質(zhì)疑，“大家都覺得這張薄‘帆’做不出來。”

陳佳洱卻給了顏學(xué)慶鼓勵，帶他到中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所找到中科院院士徐至展。兩位院士對“風(fēng)帆論”非常贊賞。“因?yàn)榭茖W(xué)理論沒有任何問題，技術(shù)始終能趕上，我們都相信肯定會有方法把它造出來。”

“加速一定要成器，這是老師給我的期望。”顏學(xué)慶解釋，“做100次實(shí)驗(yàn)，成功了1次，得到了數(shù)據(jù)，就可以寫論文，發(fā)表了就得到了認(rèn)可。但是實(shí)驗(yàn)100次，只有成功了99次，才算成‘器’。加速器科學(xué)不能不講用途，沒有穩(wěn)定的快速束流，一切應(yīng)用實(shí)驗(yàn)都是空談，所以必須建加速器。”

造“帆”，并非一帆風(fēng)順。顏學(xué)慶笑得坦然：“遇到困難很正常，總是有辦法。就和爬山一樣，中途爬不動了，但山頂?shù)哪繕?biāo)不會消失，歇口氣兒或者換條路，繼續(xù)爬，總有一天可能到達(dá)山頂。當(dāng)然要注意前提：要能夠看得到山頂。”

2008年的一天，顏學(xué)慶拎著兩個大箱子，從首都機(jī)場坐飛機(jī)奔赴德國，前往馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所做訪問研究。

馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所教授Habs、客座教授Tajima對顏學(xué)慶提出的“風(fēng)帆論”很感興趣。幾乎每個周末，三人都會開啟頭腦風(fēng)暴。

“那段時間沒有什么雜務(wù)，一睜眼就是學(xué)習(xí)，閉上眼就睡覺，所以很高產(chǎn)。”顏學(xué)慶笑著說，“我們在一起寫了10篇文章，成了好朋友，并加入了2018年諾貝爾獎獲得者杰哈·莫羅倡議發(fā)起成立的世界超強(qiáng)激光科學(xué)中心。”

那段時間，顏學(xué)慶真正接觸了激光加速理論的源頭，針對激光加速離子速度上不去、轉(zhuǎn)化效率低的物理瓶頸，對激光穩(wěn)相加速原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將研究方向向前推進(jìn)了重要一步，并和國際上的頂尖團(tuán)隊(duì)建立了合作。

也是在2009年，顏學(xué)慶在激光穩(wěn)相光壓加速原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步指出穩(wěn)相加速方法可以產(chǎn)生納庫級自聚焦GeV準(zhǔn)單能的質(zhì)子束，并有望通過多階段加速得到萬億電子伏特量級的質(zhì)子束，這些成果對于離子癌癥治療、激光核聚變快點(diǎn)火和新概念加速器等研究頗具意義，系列文章最高單篇引用率接近400余次。

2010年，陳佳洱赴意大利開會，在慕尼黑轉(zhuǎn)機(jī)期間特別和顏學(xué)慶見了一面：“應(yīng)該盡早回國，申請項(xiàng)目獲取支持，在中國完成‘激光加速要成器’的目標(biāo)。”

2011年冬，顏學(xué)慶結(jié)束交流，回到北大。在學(xué)校科研部門的支持下，他申請到200萬元“國家杰出青年科學(xué)基金”資助。“再加上陳佳洱老師拿到的一筆200萬元重點(diǎn)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)，總共400萬元。”顏學(xué)慶在一個庫房里開始建設(shè)激光加速器實(shí)驗(yàn)室。

2012年，陳佳洱和顏學(xué)慶領(lǐng)銜的“超小型激光離子加速器及其關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目獲得國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)立項(xiàng)。

“高對比度高功率飛秒激光”“激光等離子體透鏡”“納米自支撐靶材”“激光驅(qū)動超高流強(qiáng)離子束傳輸”等核心技術(shù)逐一突破。

2017年，加速器初步成形。顏學(xué)慶帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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。

從推出理論，到初步成器，歷時近10年。令顏學(xué)慶驕傲的是：“從提出物理學(xué)原理到樣機(jī)的建造，最后不斷完善并做到最好，整個過程都是我們中國人自己完成的。”

?大器精做

鑄“重器”，講究精做。

傳統(tǒng)的使用微波技術(shù)加速帶電粒子，大型光源和高能加速器長度動輒需要幾公里，比如美國斯坦福大學(xué)的SLAC自由電子激光光源就長達(dá)3公里。顏學(xué)慶說：“我們的目標(biāo)是做‘小’做‘強(qiáng)’加速器，讓更多領(lǐng)域有機(jī)會用得上它。”

先說“小”。2018年諾貝爾物理學(xué)獎授予了3位科學(xué)家，其中，杰哈·莫羅與多娜·斯崔克蘭為人類創(chuàng)造最短、最強(qiáng)的激光脈沖鋪平了道路。

顏學(xué)慶翻譯：“這種超短激光，將脈沖寬度縮短到飛秒量級。”杰哈·莫羅與多娜·斯崔克蘭提出的啁啾放大技術(shù)將激光功率提高了百萬倍以上，加速電場所需要的長度縮短了一千倍，甚至更多。

再說“強(qiáng)”。“飛秒激光產(chǎn)生的功率密度如果轉(zhuǎn)換成熱，溫度比太陽內(nèi)部還要高1萬倍以上，甚至可達(dá)百萬倍。”

2019年冬，北京大學(xué)參與懷柔科學(xué)城建設(shè)，其中就包括北京激光加速創(chuàng)新中心。顏學(xué)慶在微信朋友圈發(fā)文致謝各方支持：“經(jīng)過兩年多的論證，無數(shù)次匯報(bào)和方案調(diào)整，在2019年底終于可以啟動。在此衷心感謝所有給予幫助和支持的領(lǐng)導(dǎo)們、專家們、同行們、朋友們、科學(xué)城公司和參加項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)成員們！”

讓一貫持重的科學(xué)家如此喜形于色，顏學(xué)慶給出一個理由：“建一個科學(xué)中心，意味著我們不再是單打獨(dú)斗。我們瞄準(zhǔn)了一個‘坑’，打算下大力氣深挖。”

這個“坑”，就是“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項(xiàng)目。

2022年8月，中心主體結(jié)構(gòu)竣工。顏學(xué)慶詼諧地說：“我又差點(diǎn)發(fā)朋友圈。以前是在實(shí)驗(yàn)室完成的原理驗(yàn)證，而中心將開展的是臨床應(yīng)用試驗(yàn)。”

這套裝置被稱為第一代工程樣機(jī)，占地300至500平方米。簡單粗算，激光加速器的長度已經(jīng)縮短到20余米。顏學(xué)慶說，通過工程設(shè)計(jì)，合理布設(shè)電源等內(nèi)部零部件，2.0版本的樣機(jī)有望縮小到50至100平方米。“元器件已經(jīng)開始設(shè)計(jì)，將來全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。”

最終希望“器”精致到什么程度？顏學(xué)慶的答案是，方便用起來的大小。“國內(nèi)的三甲醫(yī)院大多寸土寸金，最終希望設(shè)備占地別超過兩間普通診室的面積，長度控制在10米以內(nèi)。”同時，中國自主知識產(chǎn)權(quán)將有效降低設(shè)備的造價(jià)。

秋天是北京最美的季節(jié)。今秋，也可能是顏學(xué)慶再發(fā)朋友圈的時候。“杰哈·莫羅教授前幾天已經(jīng)寫信確認(rèn)，預(yù)計(jì)10月或者11月要到懷柔科學(xué)城的激光加速創(chuàng)新中心工作一段時間。我們也醞釀在這里成立一個國際激光中心，吸引更多國內(nèi)外頂尖專家學(xué)者來這里進(jìn)行開拓性研究，促進(jìn)激光加速器與能源、空間、生物以及材料等學(xué)科的交叉融合。”

面對大大小小已經(jīng)完成的研究成果，顏學(xué)慶謙虛地說：“愛因斯坦、李政道、楊振寧這樣的大家，才被稱為科學(xué)家。我還遠(yuǎn)夠不上，就是一名普通的科研工作者。至于出成績，只要確定一個符合物理規(guī)律的可行性目標(biāo)，然后一直往前走，堅(jiān)持做20年甚至更長時間，預(yù)期的目標(biāo)就會越來越近。”

“星”解讀

市教委科研處 北京大學(xué)顏學(xué)慶團(tuán)隊(duì)在國際上首次提出和實(shí)現(xiàn)了激光穩(wěn)相光壓加速方法和臨界密度激光等離子體透鏡新方法，解決了激光加速的瓶頸問題。系列研究推動了懷柔科學(xué)中心交叉平臺“北京激光加速創(chuàng)新中心”的設(shè)立。

顏學(xué)慶的科研一路“獨(dú)開生面”，找到“最快的光”，形成“最穩(wěn)的器”，“大器精做”，發(fā)揮“小而強(qiáng)”的特點(diǎn)，努力建成世界上首臺基于激光加速質(zhì)子的腫瘤放射系統(tǒng)，讓更多患者受益。激光加速器未來將與能源、空間、生物以及材料等學(xué)科交叉融合，完成更多開拓性研究。

關(guān)鍵詞：