為世界加速
——記北京大學物理學院激光加速器團隊

□ 胡 敬

顏學慶作為導師代表致辭

從1960年世界上第一臺激光器誕生開始，至今激光科學已經深刻地改變了物理學、化學、生物學和醫學等多個研究領域，快速推動著人類社會的進步。不僅如此，進入20世紀以來，激光、加速器及其相關研究已經是諾貝爾物理學獎上的“常客”。前不久剛剛頒發的2018年諾貝爾物理學獎，正是授予3位開創激光應用領域的先驅。

他們因發明光學鑷子以及產生高強度超短光學脈沖的方法而獲獎，他們的發明可以對不同種類的細菌、病毒、細胞等生命機制進行研究，可以促進白內障屈光手術的進步，還能用于制造手術支架。不但如此，新的激光技術正在使我們獲得更快的電子產品、更高效的太陽能電池、更好的催化劑以及更強大的加速器。激光技術正一點點改變著世界。

在學術氛圍濃厚、人才輩出的北京大學內，有這樣一支團隊，他們的研究同樣與激光領域密切相關，他們的研究重點一直聚焦在激光加速器上。近年來，粒子加速器早已成為眾多前沿領域中的重要工具，但在加速能量不斷提升的同時，令研究人員頗為苦惱的是加速器也在變得越來越龐大，過大的占地面積和高昂的造價成本使加速器的應用受到限制，迫切需要尋找降低加速器尺寸的新途徑。由北京大學重離子研究所所長顏學慶教授領導的激光加速器團隊成功地邁出了第一步，建成了世界上首臺質子能量可調1%能散的激光加速器，開辟了一條激光加速器領域里的寬闊大路。

眾志成城創加速奇跡

1979年日本學者Tajima等人提出了利用電子束激發等離子體中的尾場波來加速的原理，如同雁過留痕，當相對論性激光在稀薄等離子體中傳播時，等離子體中的自由電子也會因被推動而留下痕跡。此時，伴隨著激光的傳播，激光后方產生的周期性變化電場也會隨著激光一起傳播，這就是激光尾場加速。

這項發現令當時的激光領域大為振奮，這意味著激光離子加速器將不再是“遙不可及”，很可能會就此走向實際應用。例如核物理、先進光源等設備有可能會進入普通實驗室中，以離子加速器為核心的醫療設備也會進入普通醫院用于疾病治療，甚至激光加速器還會走進尋常百姓家。

研究之路道阻且長，如今，研究人員在經歷了漫長而難熬的一段時期后終于守得云開見月明。北京大學物理學院激光加速器團隊的研究成果，首次在激光尾場加速理論提出后實現了從激光加速到質子加速器的跨越。研究中，團隊首次提出了穩相光壓加速和臨界密度等離子體透鏡等新方法，采用基于電四極透鏡和分析磁鐵的傳輸和分析系統，開展了3～10MeV能量可調的高流強、短脈沖質子束傳輸測試，最終穩定地獲得了1%能散/1～10pC電量的質子束，成功建成了世界上首臺質子能量可調（1～15MeV）1%能散激光加速器與輻照裝置。

激光加速器整體

未來激光質子刀癌癥治療模型圖

團隊針對激光加速離子束能量低、能散大等問題所提出的穩相光壓加速機制，可以使激光場振幅和固體面密度在滿足一定匹配關系時，利用激光和薄膜靶的相互作用，同時實現對離子的加速和聚束，可使離子加速效率提高2個量級，能散降低到10%以下。此外，團隊提出的臨界密度等離子體透鏡方法，可以實現對相對論激光的聚焦和整形，提高激光聚焦光強1個量級，從而解決光壓加速過程中存在的不穩定性和中心擊穿等一系列瓶頸問題。

團隊提出的這些新方法多次創造和打破了碳離子、質子能量加速的世界紀錄，實現了大梯度、低能散和高效率的離子加速。顏學慶提到，以往傳統加速器大都采用射頻加速，這就意味著不僅會導致加速梯度小，還會帶來造價昂貴、占地面積大等諸多不利因素。而團隊此次采用的激光加速器的電場梯度比常規射頻加速器高了3個量級以上，不但可以讓大型加速器由大變小、造價降低上千倍，還能讓中小型加速器也變成“巴掌大小”。未來，這種小體積和極高的加速梯度也不會再將加速器只局限在實驗室中，而是會逐步走向空間物理、生物輻照和醫療等眾多前沿應用。

為“癌”發聲

北京大學物理學院激光加速器團隊在激光加速器領域所做出的巨大突破，不止會在物理、制造業、航空航天等領域里大顯身手，掀起一場全新的科學技術革命，甚至還有可能挽救人們的生命，為無數癌癥患者帶來希望的曙光。

顏學慶與團隊隊員對激光光壓穩相加速器的未來，都信心滿滿。據悉，飛秒激光加速器已經能夠在小于10cm的距離內將電子加速到4.25GeV，該速度已經高出了我國現有的和在建的電子加速器的速度。而在這個尺度上，利用激光光壓穩相加速質子可以再進一步，能夠加速到接近100MeV，這種水平可穿透人體接近8公分，也就是說已經可以開展淺層腫瘤治療研究。未來，激光器功率必定會得到進一步提高，如果達到200～250MeV的質子刀就可以用于全身的腫瘤診斷和治療，腫瘤的治療精度將會再一次得到飛躍。

團隊研究之路背后的艱辛也許只有團隊成員自己知道，但無論有多少困難，他們也不會急于求成。從光壓加速理論，到原理驗證再到激光加速器裝置的建成，每一步路團隊都力圖走得穩健。踏實研究為團隊帶來了好消息，顏學慶表示，這種占地面積小于200平方米、成本約5000萬元的激光質子刀裝置，將會在未來5～10年內推廣到全國各個省市級醫院。

團隊取得的成績有目共睹，但團隊并沒有被成功的喜悅沖昏頭腦，他們清醒地意識到盡管當前激光加速器前景可觀，但終究還只是一個“新生嬰兒”，依然存在著能散大、重復頻率低和可靠性差等問題，難以直接用于CEPC/ILC等高能加速器和強流加速器中。同樣，在醫療方面，目前全國也只有少數幾臺造價昂貴的質子或重離子癌癥治療裝置，面對全國每年至少上百萬癌癥患者的治療需求，顯然有些力不從心。但在科研路上不斷修煉和升華自身的北京大學物理學院激光加速器團隊始終相信，只要不懈努力，永不放棄，激光等離子體加速器能夠使新的癌癥治療技術浮出水面，并真正得到普及，并造福社會。

他們把汗水揮灑在激光加速器研究的大地上，把激情奉獻給熱愛的科研事業，不畏艱險，執著追求，這正是北京大學物理學院激光加速器團隊多年來最好的寫照。