加速成器

“什么是加速器？”

(资料图片仅供参考)

“这涉及到专业词语，有点不太好回答。”

与北京大学物理学院副院长、北京激光加速创新中心主任颜学庆的采访约在了周日早8时。这是他硬挤出来的一个多小时，10时他必须赶到一个研讨会现场。

双方坐定，省去了寒暄，第一个问题，颜学庆就直奔主题：“大多数人都会觉得加速器这个词挺奇怪，很陌生。它是典型的基础物理装置和仪器，毫不夸张地说，这是人类有史以来最伟大的仪器之一。”

他给出数据支撑：“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，很多微观粒子的发现和应用也与加速器相关。”

颜学庆与这件“重器”的缘分，可以追溯到2004年。此后的19个冬夏，他带领团队从常规射频加速器转入到激光加速器领域，不断实现着从0到1的突破：率先提出激光稳相光压加速的原理，建成世界上首台超小型激光加速器辐照装置，开启截至目前周期最长的国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项——“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目……

一路独开生面，颜学庆却说自己是个“死脑筋”：“我去逛商场，说买鞋就是买鞋，买了就走，不太会享受逛的乐趣。在工作中也一样，只要认准了方向，就专注于要做的事情，想办法去解决碰到的问题，尽力做到极致。”

❶唯快不破

到底什么是加速器？什么是激光加速器？

颜学庆打了个比方：“一个原始人捡到一个核桃，想看看里面的结构，用牙又咬不开，怎么办？高举石头快速砸核桃，或者举起核桃快速地往地上砸。加速器的原理雷同，用加速的射线‘打开’原子，甚至探究更深层次的结构。”

坐飞机过安检，在医院拍胸片，都是以电子加速方式在一小片固定空间里产生X射线，看穿行李，看透皮肉。手机芯片和各种半导体元件，也必须用到加速器来掺杂。广东的荔枝出口国外或者南美洲的车厘子运来中国前，也可能会用射线来保鲜，延长保质时间。颜学庆借用老师陈佳洱院士的话下定义，“加速器是一个‘顶天立地’的学科——‘顶天’是说向科学技术的最前沿发起冲锋；‘立地’则是将高精尖的科学技术落地转化，应用于民。”

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脉冲激光与物质相互作用产生的瞬态高强度静电场加速质子或者电子，仅需数百微米就可将质子加速到百兆电子伏量级，产生的质子束具有宽能谱、脉冲短（皮秒量级）、源尺寸小（微米）及能量转换效率高等特点。“激光加速器在设备需求空间、安装难度、运行和维护成本、辐射防护难度、系统复杂程度等方面都有优势。”

“基于激光加速器的质子放疗系统一旦研制成功，可以安装在医院，能够大幅降低癌症患者的治疗费用。”这也是颜学庆带领团队正在深耕的方向：利用激光加速器打造“质子刀”，精准切除癌细胞，同时尽量保护人体正常细胞。这个项目的学名是“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”。

“传统的质子刀对治疗没有扩散的肿瘤，效果较好，非常适用于治疗早期肿瘤患者。以中国为例，每年新增400万肿瘤患者，其中大约10%的病人属于早期肿瘤；而其余90%的患者已经出现了扩散，临床上通常会进行化疗、细胞治疗和中医治疗等，疗效往往并不理想。”颜学庆说，2018年前后，他们通过激光加速器产生的稳定质子束流对小鼠进行研究，发现可以抑制肿瘤的扩散。

面对这个意外之喜，研究团队成员下意识的反应是：“不会做错了吧？要不换一组人再试试？”

连换两拨人，还请了另一家单位各自蒙眼实验，得出的结论一致——确实有效。

“最近几年，我们陆续完成了上百只小鼠的测试，发现确实可以起到抑制肿瘤的疗效。”2019年，科技部立项。这也是目前该部第一个跨了3个五年计划的项目。

“无论是科技部还是我们，当然都希望越快出成果越好，但必须遵循客观规律。”颜学庆严谨地连用了两个“必须”，“这是一个带有基础研究性质的项目，必须符合科学规律，项目很难100%保证成功，可我们比谁都清楚，如果能成功造出这台激光加速器放疗系统，并且实现科研预期，每年仅中国就将有数以百万的患者获益，所以我们团队上下齐心，全力以赴专注于激光加速器的研发工作！”

团队的日程表贴在实验室二楼的墙上，上面的格子密密麻麻，透露出一股子豁出去的拼劲儿：今年3月，工程样机开始进场安装；4月28日，第一阶段中期检查顺利完成；今年年底前，组装并完成初步调试；到明年年底，完成第一阶段验收，实现设备稳定运行；力争明年启动免疫治疗临床实验……到2030年11月，建成束流稳定可靠的重频百兆电子伏激光质子放疗原理样机以及基于激光加速器的质子放疗工程样机，构建激光加速大科学装置，通过国家市场监督管理总局认证。

“激光加速器的应用十分广泛，我们也同步开展了其他的应用尝试。”颜学庆举了几个例子，目前人们已经发现数千种原子核，其中很多属于短寿命的同质异能态核。它们寿命短，很难被现有办法测量，为此，团队提出一系列新思路：可以加速超短电子束，经过韧致辐射产生超快伽马射线，再采用光核反应来测量毫秒量级的同质异能态核参数；激光可以操纵原子和分子，超快的伽马激光如果可以稳定输出，就有望操控原子核；通过磁约束聚变打造的人造小太阳，堆芯内部的温度高达上亿摄氏度，温度计显然测不了，激光驱动的超快离子束就可以实现二维磁场的诊断……

这种自由的研究模式，是颜学庆享受的科研状态。他说，基础学科研究就像是挖坑，可以天马行空，挖不出来也不会被嘲笑；而一旦取得突破，如果能够用于某些重要需求的时候，可以停下来不再挖坑，当然也不能彻底停下来什么都不做，他笑着说：“可以考虑栽树，培育森林。”

❷10年造器

将视线拉回到加速器本身，打造它的第一步，是考虑如何加速。

2004年，颜学庆在北大博士毕业后留校任教。“当时学校正改革，‘老人’做出新东西才能有发展。”颜学庆回忆，当时恰逢激光尾波场电子加速器大发展，美欧等科学家提出用强激光做离子加速的想法，但在原理上没有实现突破。“虽然当时电子加速取得了重要突破，但是离子要比电子重1000倍以上，因此离子加速更为困难。”

2006年，颜学庆在阅读了大量文献，积累了一定基础后，率先提出借鉴“风帆原理”的稳相光压加速新方法。“灵感来自大量的数值模拟实验。当激光打向厚度仅有几纳米的固体靶，可以隐约看到帆的影子——光压可以推动质子，这就为高品质的质子束流产生提供了可能性。”

一次国际会议上，颜学庆抛出想法，收获最多的却是质疑，“大家都觉得这张薄‘帆’做不出来。”

陈佳洱却给了颜学庆鼓励，带他到中科院上海光学精密机械研究所找到中科院院士徐至展。两位院士对“风帆论”非常赞赏。“因为科学理论没有任何问题，技术始终能赶上，我们都相信肯定会有方法把它造出来。”

“加速一定要成器，这是老师给我的期望。”颜学庆解释，“做100次实验，成功了1次，得到了数据，就可以写论文，发表了就得到了认可。但是实验100次，只有成功了99次，才算成‘器’。加速器科学不能不讲用途，没有稳定的快速束流，一切应用实验都是空谈，所以必须建加速器。”

造“帆”，并非一帆风顺。颜学庆笑得坦然：“遇到困难很正常，总是有办法。就和爬山一样，中途爬不动了，但山顶的目标不会消失，歇口气儿或者换条路，继续爬，总有一天可能到达山顶。当然要注意前提：要能够看得到山顶。”

2008年的一天，颜学庆拎着两个大箱子，从首都机场坐飞机奔赴德国，前往马普学会量子光学研究所做访问研究。

马普学会量子光学研究所教授Habs、客座教授Tajima对颜学庆提出的“风帆论”很感兴趣。几乎每个周末，三人都会开启头脑风暴。

“那段时间没有什么杂务，一睁眼就是学习，闭上眼就睡觉，所以很高产。”颜学庆笑着说，“我们在一起写了10篇文章，成了好朋友，并加入了2018年诺贝尔奖获得者杰哈·莫罗倡议发起成立的世界超强激光科学中心。”

那段时间，颜学庆真正接触了激光加速理论的源头，针对激光加速离子速度上不去、转化效率低的物理瓶颈，对激光稳相加速原理进行实验验证，将研究方向向前推进了重要一步，并和国际上的顶尖团队建立了合作。

也是在2009年，颜学庆在激光稳相光压加速原理的基础上，进一步指出稳相加速方法可以产生纳库级自聚焦GeV准单能的质子束，并有望通过多阶段加速得到万亿电子伏特量级的质子束，这些成果对于离子癌症治疗、激光核聚变快点火和新概念加速器等研究颇具意义，系列文章最高单篇引用率接近400余次。

2010年，陈佳洱赴意大利开会，在慕尼黑转机期间特别和颜学庆见了一面：“应该尽早回国，申请项目获取支持，在中国完成‘激光加速要成器’的目标。”

2011年冬，颜学庆结束交流，回到北大。在学校科研部门的支持下，他申请到200万元“国家杰出青年科学基金”资助。“再加上陈佳洱老师拿到的一笔200万元重点项目经费，总共400万元。”颜学庆在一个库房里开始建设激光加速器实验室。

2012年，陈佳洱和颜学庆领衔的“超小型激光离子加速器及其关键技术研发”项目获得国家重大科学仪器设备开发专项立项。

“高对比度高功率飞秒激光”“激光等离子体透镜”“纳米自支撑靶材”“激光驱动超高流强离子束传输”等核心技术逐一突破。

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。

从推出理论，到初步成器，历时近10年。令颜学庆骄傲的是：“从提出物理学原理到样机的建造，最后不断完善并做到最好，整个过程都是我们中国人自己完成的。”

❸大器精做

铸“重器”，讲究精做。

传统的使用微波技术加速带电粒子，大型光源和高能加速器长度动辄需要几公里，比如美国斯坦福大学的SLAC自由电子激光光源就长达3公里。颜学庆说：“我们的目标是做‘小’做‘强’加速器，让更多领域有机会用得上它。”

先说“小”。2018年诺贝尔物理学奖授予了3位科学家，其中，杰哈·莫罗与多娜·斯崔克兰为人类创造最短、最强的激光脉冲铺平了道路。

颜学庆翻译：“这种超短激光，将脉冲宽度缩短到飞秒量级。”杰哈·莫罗与多娜·斯崔克兰提出的啁啾放大技术将激光功率提高了百万倍以上，加速电场所需要的长度缩短了一千倍，甚至更多。

再说“强”。“飞秒激光产生的功率密度如果转换成热，温度比太阳内部还要高1万倍以上，甚至可达百万倍。”

2019年冬，北京大学参与怀柔科学城建设，其中就包括北京激光加速创新中心。颜学庆在微信朋友圈发文致谢各方支持：“经过两年多的论证，无数次汇报和方案调整，在2019年底终于可以启动。在此衷心感谢所有给予帮助和支持的领导们、专家们、同行们、朋友们、科学城公司和参加项目的团队成员们！”

让一贯持重的科学家如此喜形于色，颜学庆给出一个理由：“建一个科学中心，意味着我们不再是单打独斗。我们瞄准了一个‘坑’，打算下大力气深挖。”

这个“坑”，就是“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目。

2022年8月，中心主体结构竣工。颜学庆诙谐地说：“我又差点发朋友圈。以前是在实验室完成的原理验证，而中心将开展的是临床应用试验。”

这套装置被称为第一代工程样机，占地300至500平方米。简单粗算，激光加速器的长度已经缩短到20余米。颜学庆说，通过工程设计，合理布设电源等内部零部件，2.0版本的样机有望缩小到50至100平方米。“元器件已经开始设计，将来全部实现国产化。”

最终希望“器”精致到什么程度？颜学庆的答案是，方便用起来的大小。“国内的三甲医院大多寸土寸金，最终希望设备占地别超过两间普通诊室的面积，长度控制在10米以内。”同时，中国自主知识产权将有效降低设备的造价。

秋天是北京最美的季节。今秋，也可能是颜学庆再发朋友圈的时候。“杰哈·莫罗教授前几天已经写信确认，预计10月或者11月要到怀柔科学城的激光加速创新中心工作一段时间。我们也酝酿在这里成立一个国际激光中心，吸引更多国内外顶尖专家学者来这里进行开拓性研究，促进激光加速器与能源、空间、生物以及材料等学科的交叉融合。”

面对大大小小已经完成的研究成果，颜学庆谦虚地说：“爱因斯坦、李政道、杨振宁这样的大家，才被称为科学家。我还远够不上，就是一名普通的科研工作者。至于出成绩，只要确定一个符合物理规律的可行性目标，然后一直往前走，坚持做20年甚至更长时间，预期的目标就会越来越近。”

“星”解读

市教委科研处 北京大学颜学庆团队在国际上首次提出和实现了激光稳相光压加速方法和临界密度激光等离子体透镜新方法，解决了激光加速的瓶颈问题。系列研究推动了怀柔科学中心交叉平台“北京激光加速创新中心”的设立。

颜学庆的科研一路“独开生面”，找到“最快的光”，形成“最稳的器”，“大器精做”，发挥“小而强”的特点，努力建成世界上首台基于激光加速质子的肿瘤放射系统，让更多患者受益。激光加速器未来将与能源、空间、生物以及材料等学科交叉融合，完成更多开拓性研究。

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