2020年6月12日，國家重點研發(fā)計劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”專項 “拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項目啟動會在北京大學(xué)召開。這標(biāo)志著在科技部、教育部等有關(guān)部委的支持下，由北京大學(xué)牽頭承擔(dān)的這一國家重大項目正式“啟航”。

項目啟動會現(xiàn)場

埋首為“加速”，十余載矢志不移

該項目將基于重頻拍瓦激光器的激光質(zhì)子加速器，研制開發(fā)穩(wěn)定可靠的激光質(zhì)子放射治療系統(tǒng)，并開展圍繞腫瘤治療的應(yīng)用示范研究，經(jīng)過臨床測試及醫(yī)學(xué)認(rèn)證，最終完成滿足醫(yī)院治療需求的激光質(zhì)子放療產(chǎn)品樣機，并逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

項目負(fù)責(zé)人、北京大學(xué)物理學(xué)院副院長、核物理與核技術(shù)國家重點實驗室副主任顏學(xué)慶教授介紹：“激光加速器利用超高峰值功率的脈沖激光與靶材相互作用產(chǎn)生的瞬態(tài)高強度靜電場加速質(zhì)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?。ㄎ⒚祝┘澳芰哭D(zhuǎn)換效率高等特點。利用高磁場梯度的超小型脈沖磁鐵對靶后質(zhì)子流進(jìn)行收集與控制，可獲得與傳統(tǒng)加速器品質(zhì)相當(dāng)?shù)膯文芑驅(qū)捵V質(zhì)子束流?！毕啾却笮偷膫鹘y(tǒng)質(zhì)子加速器，激光加速器有哪些獨特優(yōu)勢？顏學(xué)慶說：“激光加速器在設(shè)備需求空間、安裝難度、運行和維護(hù)成本、輻射防護(hù)難度、系統(tǒng)復(fù)雜程度等方面有獨特優(yōu)勢?；诩す饧铀倨鞯募す赓|(zhì)子放療系統(tǒng)一旦研制成功，將可以安裝在各大醫(yī)院現(xiàn)場，能夠大幅降低癌癥患者的治療費用，推動質(zhì)子放療在我國的普及?！?/p>

早在十多年前，北大科研團(tuán)隊就開始在激光加速器領(lǐng)域的不懈求索。2008年，顏學(xué)慶團(tuán)隊提出了激光穩(wěn)相光壓方法加速離子的原理。2010年，顏學(xué)慶從德國馬普量子光學(xué)所訪學(xué)歸來，深感中國的醫(yī)療、生物等領(lǐng)域亟需激光加速器的助力，于是著手籌備建立激光加速器實驗室。2012年，陳佳洱院士、顏學(xué)慶教授領(lǐng)銜的項目“超小型激光離子加速器及其關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”獲得國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項立項。顏學(xué)慶教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊基于原創(chuàng)的激光穩(wěn)相光壓加速新方法，以具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超小型激光離子加速器設(shè)備研發(fā)為突破口, 在2012至2017五年間開展了高梯度激光離子加速器的研制工作，在攻克“高對比度高功率飛秒激光”“自支撐納米薄膜靶”“激光等離子體透鏡”“激光驅(qū)動超高流強離子束傳輸”等一系列關(guān)鍵技術(shù)后，建成國際首臺1%～5%能散、能量（3～15 MeV）和電量（<2～30 pC/束團(tuán)）可調(diào)的激光質(zhì)子加速器與輻照裝置。鑒于證實了激光加速器可以實現(xiàn)束流單能性、穩(wěn)定性和可控性，實現(xiàn)了從激光加速到激光質(zhì)子加速器的關(guān)鍵性跨越，該項工作被授予2019年世界加速器物理大會Hogil Kim加速器獎。

百兆電子伏激光質(zhì)子加速器樣機

2018年北大120周年校慶前夕，習(xí)近平總書記到北大考察，在顏學(xué)慶團(tuán)隊用3D打印技術(shù)呈現(xiàn)的激光加速器原型裝置（1:10比例）前駐足，詳細(xì)詢問這一裝置的原理、應(yīng)用領(lǐng)域和成果等。顏學(xué)慶向習(xí)總書記匯報了激光加速器的研發(fā)和建設(shè)過程，并自豪地說：“從樣機的建造到不斷完善，并建成第一臺真正的激光質(zhì)子加速器，整個過程都是我們中國人自己完成的。”

顏學(xué)慶（左一）向習(xí)總書記匯報激光加速器的研發(fā)和建設(shè)過程

2019年12月，國家重點研發(fā)計劃“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”重點專項“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”項目正式批復(fù)。項目將針對腫瘤治療需求，突破拍瓦級激光器、高對比度和高光強激光品質(zhì)控制、拍瓦級激光器高重頻自動化打靶、先進(jìn)納米靶材高品質(zhì)大批量制備、百兆電子伏量級高能質(zhì)子產(chǎn)生、超高流強消色散質(zhì)子束傳輸、大能散質(zhì)子束能譜剪裁、激光質(zhì)子束治療頭、面向激光質(zhì)子束的放療計劃系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、核心部件國產(chǎn)化的激光質(zhì)子放療系統(tǒng)，并開發(fā)相關(guān)軟件和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)質(zhì)子放射腫瘤治療。

聚智匯眾力，五課題聚焦關(guān)鍵問題

科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)不同于基礎(chǔ)研究，不僅需要集合優(yōu)勢科研和技術(shù)力量協(xié)同，還需高度統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，充分調(diào)動人力、物力和財力等相關(guān)資源。為此，根據(jù)《國家重點研發(fā)計劃管理暫行辦法》的規(guī)定，北京大學(xué)作為項目牽頭承擔(dān)單位，協(xié)助項目團(tuán)隊組建了總體專家組、技術(shù)專家組以及用戶專家委員會，相關(guān)職能部門全力“保駕護(hù)航”。

前期，項目團(tuán)隊就技術(shù)路線、分工安排、時間節(jié)點、管理機制等多次組織詳細(xì)討論與充分溝通，目前已確定具體實施方案，并建立了周密嚴(yán)格的項目組織管理機制。

項目根據(jù)關(guān)鍵科技問題設(shè)置了重頻高功率飛秒激光系統(tǒng)、激光質(zhì)子束加速及診斷系統(tǒng)、質(zhì)子束流配送系統(tǒng)及治療頭、激光加速器控制系統(tǒng)和應(yīng)用平臺、質(zhì)子治療劑量驗證與治療計劃系統(tǒng)五個課題。在北京市人民政府和北京市發(fā)展和改革委員會的大力支持下，項目將落地位于懷柔科學(xué)城核心區(qū)的激光加速創(chuàng)新中心，建設(shè)激光加速器研究平臺——這里不僅將成為項目“主戰(zhàn)場”，更將成為團(tuán)隊內(nèi)外專家學(xué)者進(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)科交叉融合的研發(fā)中心，也為國家“十四五”激光大科學(xué)裝置研發(fā)奠定必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

五個課題關(guān)系示意圖

激光加速創(chuàng)新中心位于懷柔科學(xué)城核心區(qū)

定心十一年，以定力推進(jìn)科技創(chuàng)新

“本項目作為科技部重大創(chuàng)新舉措，是第一個執(zhí)行十一年的項目，充分體現(xiàn)了國家對于科技創(chuàng)新的決心和毅力?！鳖亴W(xué)慶教授深有感觸地說。

從2019年12月立項到2030年11月完成，項目全周期分為三個研發(fā)階段，將鑄造“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”“建成基于激光加速器質(zhì)子放療工程樣機”“構(gòu)建激光加速大科學(xué)裝置”“激光系統(tǒng)關(guān)鍵器件實現(xiàn)國產(chǎn)化”“完成產(chǎn)品定型”“通過 CFDA 認(rèn)證”等一座座“里程碑”，實現(xiàn)技術(shù)成熟度達(dá)到9級、激光器核心部件國產(chǎn)化的激光質(zhì)子放療產(chǎn)品，并形成以企業(yè)為主體的緊密型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

項目結(jié)束后，激光質(zhì)子放療系統(tǒng)的產(chǎn)品性能可媲美現(xiàn)有傳統(tǒng)質(zhì)子治療系統(tǒng)水平，而在降低體積，造價和運行維護(hù)費用等方面具有巨大的潛力?！皩脮r，市一級三甲醫(yī)院無需大規(guī)模改建，均有條件配置，”顏學(xué)慶這樣預(yù)期，“質(zhì)子放療所需的治療費用也會顯著降低，能造福更廣大的癌癥患者?！?/p>