北京激光加速创新中心“跑出激光加速度”

科技创新看高校

“最快的刀、最准的尺、最亮的光”，这是科学家对激光的生动比喻。当激光跑出了加速度，又会对癌症这个顽疾产生怎样的威慑力？

新学期伊始，位于北京市怀柔科学城的北京激光加速创新中心已是一片忙碌的景象。“我们刚刚完成了激光加速器各项设备的整体联通，首次实现了激光从加速到传输的全部功能。”北京激光加速创新中心主任、北京大学物理学院副院长颜学庆自豪地向记者介绍，这标志着世界上第一台激光质子癌症治疗装置基本建成，我国激光加速器研究实现了从“跟跑”“并跑”向“领跑”的转变。

中共中央、国务院印发的《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》指出，强化高水平研究型大学国家基础研究主力军和重大科技突破策源地作用。使命在肩，向着困扰人类几个世纪的癌症，颜学庆带领团队发起了冲锋。

十年磨出“国之重器”

何为加速器？在一楼展厅的激光加速肿瘤治疗模型面前，颜学庆做起了科普：“加速器是研究世界最基本的工具。”他举例说，如果一个原始人捡到一个核桃，想看里面有什么的话，必须加速往地上砸，砸开以后才能看到内部。

加速器是国际科技竞争的关键领域。二十世纪以来，大约超过三分之一的诺贝尔物理学奖都与加速器及其应用有关。

“重大科技创新成果是国之重器、国之利器，必须牢牢掌握在自己手上，必须依靠自力更生、自主创新。”2018年5月，习近平总书记考察北京大学，颜学庆向总书记介绍了微缩激光加速器装置模型。总书记的嘱托，颜学庆铭记在心。

事实上，造器之路并非一帆风顺。2006年，颜学庆在国际上率先提出借鉴“风帆原理”的稳相光压加速新方法，却遭到国外同行的质疑，“这张薄‘帆’做不出来”。

十年甘坐冷板凳。历经成百上千次的失败，2017年，加速器初步成形，颜学庆带领团队在北大建成国际上首台1%—5%能散、能量和电量可调的激光质子加速器与辐照装置。此后，他们又建成了世界上功率最高的1赫兹重频2拍瓦激光装置。

更短的加速距离和更高的峰值流强，是新一代激光加速器的特点。颜学庆介绍，与传统的射频加速器相比，新一代激光加速器加速距离缩小了上千倍，而峰值流强提高了上千倍。“峰值功率比全世界总的平均发电功率还要高100倍，如果转换成温度，它比太阳内部还要高100万倍以上。”

激光何以加速？带着疑问，记者换上隔离服、防尘帽和无菌鞋套，在风淋室全身清洁后，进入质子加速靶场，一排排银色的真空腔体映入眼帘。工作人员介绍，真空腔体内有大口径反射镜和反射式聚焦元件，可以把大口径光束聚焦到一个小点上，与靶材相互作用后产生瞬态极强电场实现质子加速，这个过程被称为“打靶”。

“类似于用凸透镜聚焦光线点燃火柴的原理。”颜学庆用手比画着，“要让1万亿亿个光子，在同一时间整齐划一地聚集到一个比头发丝还小100倍的点上。”

作为北大深度参与北京怀柔科学城建设并承建的重大科研项目，去年，北京激光加速创新中心正式完成工艺和设备验收，16个实验研究平台和七大实验室辅助设备平台全部建成投用。颜学庆介绍，作为国际上最先进的激光加速平台之一，激光驱动的超快束流可以应用在多个前沿领域，对于肿瘤FLASH放疗、核电池、核钟、材料、能源和超快核物理等研究都将有重要意义。

打造肿瘤治疗“质子刀”

为了这一瞬间的加速，这些年，颜学庆和团队日夜兼程。如果说从原理到样机是实现了从“0”到“1”的突破，那么，目前他们正在从“1”向“100”迈进：建成世界上第一台激光质子癌症治疗装置——飞秒激光“质子刀”，并推动其尽快在医院落地，造福更多癌症患者。

记者一走进位于中心一楼的“治疗室”，目光立刻被正中央的一张白色治疗床吸引，治疗床正前方放置着金属治疗头。颜学庆介绍，加速后的质子经过束流传输系统后，就变成了一把锋利的“质子刀”，可以作用于病灶。其原理是质子射束在抵达肿瘤病灶前，能量仅有不足25%的释放，抵达病灶时立即释放至能量峰值，可一旦穿过病灶，释放的多余辐射又趋近于零。

“就像一颗精准制导的导弹，一路飞过去几乎不消耗能量，直到抵达癌细胞的‘老巢’，才把能量全部释放出来，把癌细胞‘炸’掉，而周围的健康细胞则基本不受影响。”颜学庆说。

同时，团队还在小鼠实验中发现，超高流强质子束流不仅能消灭肿瘤，未来还有可能激活免疫系统，抑制肿瘤扩散，从而进一步开发出结合放疗与免疫治疗的新型癌症治疗方案。

数据表明，中国每年新增400万肿瘤患者，其中大约10%的病人属于早期肿瘤，90%的患者已经出现扩散，这对放疗设备提出了更高要求。传统射频加速器虽可用于临床局部肿瘤放疗，但规模大、成本高，基建费用每台高达数十亿元。

“基于激光加速器的质子放疗系统实现了设备的小型化，一旦研制成功，可以安装在医院，能够大幅降低癌症患者的治疗费用。”颜学庆透露，中心拟与北京大学第三医院签署协议，未来5年内，希望国内第一台飞秒激光质子刀落户北京地区。

除了癌症治疗，激光加速器有着丰富的应用前景。颜学庆介绍，中心在多个前沿领域开展了应用探索，比如激光加速器可用于模拟太空环境中的高能辐射条件，帮助研究材料和设备在极端辐射环境下的性能和可靠性；通过高能离子束对材料进行辐照改性，探索新型纳米材料的制备方法，这将为先进材料的研发提供新的技术手段……

吸引“大先生” 培育“大人才”

去年10月，北京激光加速创新中心引入“强援”——诺贝尔物理学奖获得者、法国物理学家杰哈·阿尔贝特·穆鲁以北京大学讲席教授的身份正式全职入职北京大学，指导北京激光加速创新中心加快打造成世界激光加速研究中心。

用“大装置”吸引“大先生”、培育“大人才”，是颜学庆对中心的定位。目前中心已吸引20多位国内外优秀科学家加入，近80位博士、硕士研究生在此研究学习。

“学生进入中心后将加入不同的课题组，从最基础的激光实验做起，在最真实的科研场景中锻炼动手能力、培养创新思维。”颜学庆介绍。

在这里，一群年轻人全力跑出了加速度。

建立国内第一台拍瓦激光质子刀触发定时系统，是北大物理学院博士生何强友近期的重点任务。此前，他已成功完成拍瓦激光加速器的调光与打靶系统的开发，并顺利实现了质子出束。“这个定时系统好比乐队的指挥，负责引导系统中每个‘乐手’在何时开始演奏，从而实现协调配合，共同演绎出一段优美的乐章。”

为了尽快推进这项工作，何强友保持着每天9点到中心，晚上11点离开的工作节奏。立志做有价值的科研，两年前，何强友选择加入中心，“一想到自己做的研究能造福几百万癌症患者，就觉得浑身充满干劲”。

北大物理学院博士生吴清范则忙着为“打靶”实验做优化，他负责对激光进行表征调控，这是一项考验耐心和细心的工作。吴清范将自己比作系统里的一颗“螺丝钉”，“要脚踏实地，不断磨炼专业本领”。

颜学庆透露，一个以穆鲁教授名字命名的“M大师班”也在筹备中，计划近期从大二学生中选拔，采取本硕博贯通式培养，首批招生不超过10人，打造交叉复合创新型人才培养新模式。

在实验室二楼走廊的墙壁上，有一面写满了2025年的祝福语，其中，“加速成器”4个大字格外醒目。

“希望中心能培养一批顶尖科学家，为中国飞秒激光技术引领世界作出更大贡献。”颜学庆说。

来源：长三角激光联盟