從“0”到“1”跑出激光“加速度”

工作人員在調試束流傳輸設備。

顏學慶在調試激光光路。學校供圖

■科技創新看高校

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

　　新學期伊始，位于北京市懷柔科學城的北京激光加速創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備的整體聯通，首次實現了激光從加速到傳輸的全部功能。”北京激光加速創新中心主任、北京大學物理學院副院長顏學慶自豪地向記者介紹，這標志著世界上第一臺激光質子癌癥治療裝置基本建成，我國激光加速器研究實現了從“跟跑”“并跑”向“領跑”的轉變。

　　中共中央、國務院印發的《教育強國建設規劃綱要（2024—2035年）》指出，強化高水平研究型大學國家基礎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的癌癥，顏學慶帶領團隊發起了沖鋒。

　　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部。

　　加速器是國際科技競爭的關鍵領域。二十世紀以來，大約超過三分之一的諾貝爾物理學獎都與加速器及其應用有關。

　　“重大科技創新成果是國之重器、國之利器，必須牢牢掌握在自己手上，必須依靠自力更生、自主創新。”2018年5月，習近平總書記考察北京大學，顏學慶向總書記介紹了微縮激光加速器裝置模型。總書記的囑托，顏學慶銘記在心。

　　事實上，造器之路并非一帆風順。2006年，顏學慶在國際上率先提出借鑒“風帆原理”的穩相光壓加速新方法，卻遭到國外同行的質疑，“這張薄‘帆’做不出來”。

　　十年甘坐冷板凳。歷經成百上千次的失敗，2017年，加速器初步成形，顏學慶帶領團隊在北大建成國際上首臺1%—5%能散、能量和電量可調的激光質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，是新一代激光加速器的特點。顏學慶介紹，與傳統的射頻加速器相比，新一代激光加速器加速距離縮小了上千倍，而峰值流強提高了上千倍。“峰值功率比全世界總的平均發電功率還要高100倍，如果轉換成溫度，它比太陽內部還要高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，在風淋室全身清潔后，進入質子加速靶場，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上，與靶材相互作用后產生瞬態極強電場實現質子加速，這個過程被稱為“打靶”。

　　“類似于用凸透鏡聚焦光線點燃火柴的原理。”顏學慶用手比畫著，“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絲還小100倍的點上。”

　　作為北大深度參與北京懷柔科學城建設并承建的重大科研項目，去年，北京激光加速創新中心正式完成工藝和設備驗收，16個實驗研究平臺和七大實驗室輔助設備平臺全部建成投用。顏學慶介紹，作為國際上最先進的激光加速平臺之一，激光驅動的超快束流可以應用在多個前沿領域，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“質子刀”

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

　　記者一走進位于中心一樓的“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。顏學慶介紹，加速后的質子經過束流傳輸系統后，就變成了一把鋒利的“質子刀”，可以作用于病灶。其原理是質子射束在抵達腫瘤病灶前，能量僅有不足25%的釋放，抵達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。

　　“就像一顆精準制導的導彈，一路飛過去幾乎不消耗能量，直到抵達癌細胞的‘老巢’，才把能量全部釋放出來，把癌細胞‘炸’掉，而周圍的健康細胞則基本不受影響。”顏學慶說。

　　同時，團隊還在小鼠實驗中發現，超高流強質子束流不僅能消滅腫瘤，未來還有可能激活免疫系統，抑制腫瘤擴散，從而進一步開發出結合放療與免疫治療的新型癌癥治療方案。

　　數據表明，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%的患者已經出現擴散，這對放療設備提出了更高要求。傳統射頻加速器雖可用于臨床局部腫瘤放療，但規模大、成本高，基建費用每臺高達數十億元。

　　“基于激光加速器的質子放療系統實現了設備的小型化，一旦研制成功，可以安裝在醫院，能夠大幅降低癌癥患者的治療費用。”顏學慶透露，中心擬與北京大學第三醫院簽署協議，未來5年內，希望國內第一臺飛秒激光質子刀落戶北京地區。

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

　　吸引“大先生” 培育“大人才”

　　去年10月，北京激光加速創新中心引入“強援”——諾貝爾物理學獎獲得者、法國物理學家杰哈·阿爾貝特·穆魯以北京大學講席教授的身份正式全職入職北京大學，指導北京激光加速創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”，是顏學慶對中心的定位。目前中心已吸引20多位國內外優秀科學家加入，近80位博士、碩士研究生在此研究學習。

　　“學生進入中心后將加入不同的課題組，從最基礎的激光實驗做起，在最真實的科研場景中鍛煉動手能力、培養創新思維。”顏學慶介紹。

　　在這里，一群年輕人全力跑出了加速度。

　　建立國內第一臺拍瓦激光質子刀觸發定時系統，是北大物理學院博士生何強友近期的重點任務。此前，他已成功完成拍瓦激光加速器的調光與打靶系統的開發，并順利實現了質子出束。“這個定時系統好比樂隊的指揮，負責引導系統中每個‘樂手’在何時開始演奏，從而實現協調配合，共同演繹出一段優美的樂章。”

　　為了盡快推進這項工作，何強友保持著每天9點到中心，晚上11點離開的工作節奏。立志做有價值的科研，兩年前，何強友選擇加入中心，“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”。

　　北大物理學院博士生吳清范則忙著為“打靶”實驗做優化，他負責對激光進行表征調控，這是一項考驗耐心和細心的工作。吳清范將自己比作系統里的一顆“螺絲釘”，“要腳踏實地，不斷磨煉專業本領”。

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

　　在實驗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。

　　“希望中心能培養一批頂尖科學家，為中國飛秒激光技術引領世界作出更大貢獻。”顏學慶說。

《中國教育報》2025年03月03日 第01版