质子重离子技术被誉为“治癌利刃”，以杀癌效果好、毒副作用小而成为被当今国际公认的最尖端的放射治疗技术。该技术运用高能离子束穿透身体障碍物，将离子绝大部分能量集中释放到肿瘤部位，直接杀死肿瘤病灶。如何加速这些质子重离子，使其得到足够的动能，加速器便是关键设备。目前常规加速器治疗设备造价在10亿元以上，且需要一栋楼来容纳，致使这项技术很难被普及。

　　2021年，著名加速器物理学家、中国科学院院士陈佳洱将自己唯一的院士专家工作站设在了广东省新兴激光等离子体技术研究院。目前这家研究院正努力研发激光质子刀产品，他们的目标是大幅度降低设备的体积和造价，让其体积能够进入更多中小医院，惠及更多癌症患者。目前激光质子刀已经处于实验室装置阶段。

　　文/龙锟  图/受访者提供  视频剪辑/方晴

　　“激光加速”让“紧凑型加速器”成为可能

　　目前传统放疗采用的是光子线，如x射线、伽马射线，其物理学剂量随着进入人体的深度逐渐降低，处于肿瘤和皮肤之间的正常组织和器官受到的剂量要大于肿瘤，因此在放射治疗肿瘤时不可避免地对正常组织和器官造成极大损伤。

　　而质子和重离子存在布拉格（Bragg）峰，在刚射入到组织时能量沉积率较低，直到射程的末端才会迅速达到峰值，因此可以对肿瘤区域进行精准杀伤而减少对周围的正常组织的伤害。离子束的能量能否通过加速器进一步提高，关系着这项技术在肿瘤治疗方面的前景。

　　不仅在医学，高能离子束在基础研究、材料学、生物学等诸多领域有着重要价值和广泛应用，其产生方法——高能粒子加速器同样受到更多的关注。

　　北京大学物理学院副院长、广东省新兴激光等离子体技术研究院院长颜学庆告诉记者，常规射频加速器的发展受限于材料损伤阈值，在加速梯度无法突破100MV/m的限制下，只有通过增大加速器的尺寸才能获得更高能量的粒子束，而这也意味着更大的占地面积和更高的工程造价。这也是质子重离子放射治疗设备难以广泛覆盖于医院的主要原因之一。

　　近三十年来，激光等离子体加速取得巨大进展。相比于常规射频加速器，激光等离子体加速到相同能量所需的加速距离可相应降低三个量级。建造紧凑型加速器成为科研工作者竞相发力的方向。

　　1999年，进入北大攻读粒子物理与原子核物理专业博士学位的颜学庆便认识到，激光加速有可能是新一代的主流加速方法，于是他把研究的重心聚焦在了激光粒子加速器上。

　　中科院院士陈佳洱是颜学庆的博士生导师，也是中国著名的加速器物理学家。他在1958年带头研制了中国首台30MeV的电子感应加速器，他还掌握了等时性回旋加速器中心区中粒子束的运动规律，在研究和实验中将其束流量提高了三倍以上。

　　激光稳相加速方法实现“0”到“1”的突破

　　“陈佳洱院士一直鼓励我在加速器领域探索新的原理和方法，先做起来。”颜学庆说，2006年，留校任教的他在大量研究的基础上，借鉴风帆的原理率先提出稳相光压加速的物理方法，却遭到了诸多质疑，但是陈佳洱院士始终勉励颜学庆不要放弃，坚持按照自己的思路继续探寻。

　　2008年，颜学庆在《物理评论快报》上发表相关学术论文提出激光稳相光压加速的原理，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。

　　在论文发表后，陈佳洱更是强力支持颜学庆申请在北大建立激光实验室。“加速和加速器只差一个字，但是不成器不行。”陈佳洱这句话对弟子影响至深。颜学庆从此开始致力于从“加速”到“加速器”的研究。

　　2012年，陈佳洱院士、颜学庆教授领衔的项目“超小型激光离子加速器及其关键技术研发”获得国家重大科学仪器设备开发专项立项。颜学庆教授领导的团队在2012年至2017年五年间攻克“高对比度高功率飞秒激光”“自支撑纳米薄膜靶”“激光等离子体透镜”“激光驱动超高流强离子束传输”等一系列关键技术后，建成国际首台1%～5%能散、能量（3～15 MeV）和电量（<2～30 pC/束团）可调的激光质子加速器与辐照装置。

　　鉴于证实了激光加速器可以实现束流单能性、稳定性和可控性，实现了从激光加速到激光质子加速器的关键性跨越，该项工作被授予2019年世界加速器物理大会Hogil Kim加速器奖。

　　2019年12月，由北大牵头承担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”正式批复，项目的目标是开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的激光质子放疗系统，并开发相关软件和数据库，实现质子放射肿瘤治疗。

　　作为项目负责人，颜学庆表示，“实现研制开发出稳定可靠的激光质子放射治疗系统的目标，还有很多物理技术的瓶颈需要一点点地去克服，还有很多工程的问题等着我们去突破。”

　　激光质子放疗系统将在广州加速落地

　　2020年9月9日，在科技部、广东省科技厅、广州市科技局的见证下，广州市白云区与北京大学签署合作协议，双方共同支持广东省激光等离子体技术研究院的建设，由颜学庆担任研究院院长。该研究院围绕飞秒拍瓦激光技术、激光加速器技术、等离子体装备等方面展开应用研究与成果转化。

　　“广州是产业前沿，在这里可以让技术继续孵化，整合出一条激光等离子体产业链，从而真正打通产学研结合的最后一公里。”颜学庆表示。

　　2021年，陈佳洱院士的院士专家工作站落户于广东省新兴激光等离子体技术研究院。“我将唯一的工作站设在了研究院，希望共同推进激光质子放疗系统的研制进程。激光质子放疗系统是一个远期的目标。我们在研制过程中，要聚焦拓展激光器、等离子体镀膜、离子注入机等关键设备的产业化。”陈佳洱表示。

　　除了成立院士专家工作站，研究院还获批为广东省高水平创新研究院，并与北京大学建立“北大-广东激光等离子体联合实验室”。依托优势科研平台，研究院各种创新成果不断涌现。

　　目前研究院在2022年8月4日完成200TW激光系统现场测试，峰值功率达到了214.8TW，为实现拥有自主知识产权、稳定可靠、普适性高的商用量产PW激光器系统打下了坚实的基础。

　　在宽幅离子源方面，研究院也已完成初步研制，引出束流宽度达300mm，且已通过专家测试，该装置有望大幅度提高用于芯片制造的离子注入机的注入效率。研究院同样已完成大面积等离子体镀膜设备的验收，目前正进入工艺调试阶段。与目前常规的电镀方式相比，等离子体镀膜节能环保，符合“双碳”政策，且更能够满足个性化定制的需求。

　　研究院已与兰州大学、哈尔滨工业大学（深圳）开展产业化合作，提供离子源组件、离子注入机等装置，科技成果转化金额约580万元。

　　按照计划，研究院将于2024年建成激光质子放疗原理机，随后进行生物实验，逐步向医疗器械产品完善。颜学庆表示，在激光质子放疗装置原理验证及生物实验通过后，研究院将启动应用研究和产业化工作。

　　“我们希望通过努力让激光质子放疗系统的运行费用大为降低，更多肿瘤患者在将来因此受益。”颜学庆说，他们希望在大湾区促进激光技术、核技术与医学、化学、电子以及材料等学科的交叉融合，使得研究院成为中国下一代先进加速器和先进光源应用的前沿科学成果转化阵地。

　　专题