为世界加速——记北京大学物理学院激光加速器团队

□ 胡 敬

颜学庆作为导师代表致辞

从1960年世界上第一台激光器诞生开始，至今激光科学已经深刻地改变了物理学、化学、生物学和医学等多个研究领域，快速推动着人类社会的进步。不仅如此，进入20世纪以来，激光、加速器及其相关研究已经是诺贝尔物理学奖上的“常客”。前不久刚刚颁发的2018年诺贝尔物理学奖，正是授予3位开创激光应用领域的先驱。

他们因发明光学镊子以及产生高强度超短光学脉冲的方法而获奖，他们的发明可以对不同种类的细菌、病毒、细胞等生命机制进行研究，可以促进白内障屈光手术的进步，还能用于制造手术支架。不但如此，新的激光技术正在使我们获得更快的电子产品、更高效的太阳能电池、更好的催化剂以及更强大的加速器。激光技术正一点点改变着世界。

在学术氛围浓厚、人才辈出的北京大学内，有这样一支团队，他们的研究同样与激光领域密切相关，他们的研究重点一直聚焦在激光加速器上。近年来，粒子加速器早已成为众多前沿领域中的重要工具，但在加速能量不断提升的同时，令研究人员颇为苦恼的是加速器也在变得越来越庞大，过大的占地面积和高昂的造价成本使加速器的应用受到限制，迫切需要寻找降低加速器尺寸的新途径。由北京大学重离子研究所所长颜学庆教授领导的激光加速器团队成功地迈出了第一步，建成了世界上首台质子能量可调1%能散的激光加速器，开辟了一条激光加速器领域里的宽阔大路。

众志成城创加速奇迹

1979年日本学者Tajima等人提出了利用电子束激发等离子体中的尾场波来加速的原理，如同雁过留痕，当相对论性激光在稀薄等离子体中传播时，等离子体中的自由电子也会因被推动而留下痕迹。此时，伴随着激光的传播，激光后方产生的周期性变化电场也会随着激光一起传播，这就是激光尾场加速。

这项发现令当时的激光领域大为振奋，这意味着激光离子加速器将不再是“遥不可及”，很可能会就此走向实际应用。例如核物理、先进光源等设备有可能会进入普通实验室中，以离子加速器为核心的医疗设备也会进入普通医院用于疾病治疗，甚至激光加速器还会走进寻常百姓家。

研究之路道阻且长，如今，研究人员在经历了漫长而难熬的一段时期后终于守得云开见月明。北京大学物理学院激光加速器团队的研究成果，首次在激光尾场加速理论提出后实现了从激光加速到质子加速器的跨越。研究中，团队首次提出了稳相光压加速和临界密度等离子体透镜等新方法，采用基于电四极透镜和分析磁铁的传输和分析系统，开展了3～10MeV能量可调的高流强、短脉冲质子束传输测试，最终稳定地获得了1%能散/1～10pC电量的质子束，成功建成了世界上首台质子能量可调（1～15MeV）1%能散激光加速器与辐照装置。

激光加速器整体

未来激光质子刀癌症治疗模型图

团队针对激光加速离子束能量低、能散大等问题所提出的稳相光压加速机制，可以使激光场振幅和固体面密度在满足一定匹配关系时，利用激光和薄膜靶的相互作用，同时实现对离子的加速和聚束，可使离子加速效率提高2个量级，能散降低到10%以下。此外，团队提出的临界密度等离子体透镜方法，可以实现对相对论激光的聚焦和整形，提高激光聚焦光强1个量级，从而解决光压加速过程中存在的不稳定性和中心击穿等一系列瓶颈问题。

团队提出的这些新方法多次创造和打破了碳离子、质子能量加速的世界纪录，实现了大梯度、低能散和高效率的离子加速。颜学庆提到，以往传统加速器大都采用射频加速，这就意味着不仅会导致加速梯度小，还会带来造价昂贵、占地面积大等诸多不利因素。而团队此次采用的激光加速器的电场梯度比常规射频加速器高了3个量级以上，不但可以让大型加速器由大变小、造价降低上千倍，还能让中小型加速器也变成“巴掌大小”。未来，这种小体积和极高的加速梯度也不会再将加速器只局限在实验室中，而是会逐步走向空间物理、生物辐照和医疗等众多前沿应用。

为“癌”发声

北京大学物理学院激光加速器团队在激光加速器领域所做出的巨大突破，不止会在物理、制造业、航空航天等领域里大显身手，掀起一场全新的科学技术革命，甚至还有可能挽救人们的生命，为无数癌症患者带来希望的曙光。

颜学庆与团队队员对激光光压稳相加速器的未来，都信心满满。据悉，飞秒激光加速器已经能够在小于10cm的距离内将电子加速到4.25GeV，该速度已经高出了我国现有的和在建的电子加速器的速度。而在这个尺度上，利用激光光压稳相加速质子可以再进一步，能够加速到接近100MeV，这种水平可穿透人体接近8公分，也就是说已经可以开展浅层肿瘤治疗研究。未来，激光器功率必定会得到进一步提高，如果达到200～250MeV的质子刀就可以用于全身的肿瘤诊断和治疗，肿瘤的治疗精度将会再一次得到飞跃。

团队研究之路背后的艰辛也许只有团队成员自己知道，但无论有多少困难，他们也不会急于求成。从光压加速理论，到原理验证再到激光加速器装置的建成，每一步路团队都力图走得稳健。踏实研究为团队带来了好消息，颜学庆表示，这种占地面积小于200平方米、成本约5000万元的激光质子刀装置，将会在未来5～10年内推广到全国各个省市级医院。

团队取得的成绩有目共睹，但团队并没有被成功的喜悦冲昏头脑，他们清醒地意识到尽管当前激光加速器前景可观，但终究还只是一个“新生婴儿”，依然存在着能散大、重复频率低和可靠性差等问题，难以直接用于CEPC/ILC等高能加速器和强流加速器中。同样，在医疗方面，目前全国也只有少数几台造价昂贵的质子或重离子癌症治疗装置，面对全国每年至少上百万癌症患者的治疗需求，显然有些力不从心。但在科研路上不断修炼和升华自身的北京大学物理学院激光加速器团队始终相信，只要不懈努力，永不放弃，激光等离子体加速器能够使新的癌症治疗技术浮出水面，并真正得到普及，并造福社会。

他们把汗水挥洒在激光加速器研究的大地上，把激情奉献给热爱的科研事业，不畏艰险，执着追求，这正是北京大学物理学院激光加速器团队多年来最好的写照。