2020年6月12日，國家重點研發計劃“重大科學儀(yi) 器設備開發”專(zhuan) 項 “拍瓦激光質子加速器裝置研究與(yu) 應用示範”項目啟動會(hui) 在北京大學召開。這標誌著在科技部、教育部等有關(guan) 部委的支持下，由北京大學牽頭承擔的這一國家重大項目正式“啟航”。

項目啟動會(hui) 現場

埋首為(wei) “加速”，十餘(yu) 載矢誌不移

該項目將基於(yu) 重頻拍瓦激光器的激光質子加速器，研製開發穩定可靠的激光質子放射治療係統，並開展圍繞腫瘤治療的應用示範研究，經過臨(lin) 床測試及醫學認證，最終完成滿足醫院治療需求的激光質子放療產(chan) 品樣機，並逐步實現產(chan) 業(ye) 化。

項目負責人、北京大學物理學院副院長、核物理與(yu) 核技術國家重點實驗室副主任顏學慶教授介紹：“激光加速器利用超高峰值功率的脈衝(chong) 激光與(yu) 靶材相互作用產(chan) 生的瞬態高強度靜電場加速質子，僅(jin) 需數百微米就可將質子加速到百兆電子伏量級，產(chan) 生的質子束具有寬能譜、脈衝(chong) 短（皮秒量級）、源尺寸小（微米）及能量轉換效率高等特點。利用高磁場梯度的超小型脈衝(chong) 磁鐵對靶後質子流進行收集與(yu) 控製，可獲得與(yu) 傳(chuan) 統加速器品質相當的單能或寬譜質子束流。”相比大型的傳(chuan) 統質子加速器，激光加速器有哪些獨特優(you) 勢？顏學慶說：“激光加速器在設備需求空間、安裝難度、運行和維護成本、輻射防護難度、係統複雜程度等方麵有獨特優(you) 勢。基於(yu) 激光加速器的激光質子放療係統一旦研製成功，將可以安裝在各大醫院現場，能夠大幅降低癌症患者的治療費用，推動質子放療在我國的普及。”

早在十多年前，北大科研團隊就開始在激光加速器領域的不懈求索。2008年，顏學慶團隊提出了激光穩相光壓方法加速離子的原理。2010年，顏學慶從(cong) 德國馬普量子光學所訪學歸來，深感中國的醫療、生物等領域亟需激光加速器的助力，於(yu) 是著手籌備建立激光加速器實驗室。2012年，陳佳洱院士、顏學慶教授領銜的項目“超小型激光離子加速器及其關(guan) 鍵技術研發”獲得國家重大科學儀(yi) 器設備開發專(zhuan) 項立項。顏學慶教授領導的團隊基於(yu) 原創的激光穩相光壓加速新方法，以具有自主知識產(chan) 權的超小型激光離子加速器設備研發為(wei) 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製工作，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(ti) 透鏡”“激光驅動超高流強離子束傳(chuan) 輸”等一係列關(guan) 鍵技術後，建成國際首台1%～5%能散、能量（3～15 MeV）和電量（<2～30 pC/束團）可調的激光質子加速器與(yu) 輻照裝置。鑒於(yu) 證實了激光加速器可以實現束流單能性、穩定性和可控性，實現了從(cong) 激光加速到激光質子加速器的關(guan) 鍵性跨越，該項工作被授予2019年世界加速器物理大會(hui) Hogil Kim加速器獎。

百兆電子伏激光質子加速器樣機

2018年北大120周年校慶前夕，習(xi) 近平總書(shu) 記到北大考察，在顏學慶團隊用3D打印技術呈現的激光加速器原型裝置（1:10比例）前駐足，詳細詢問這一裝置的原理、應用領域和成果等。顏學慶向習(xi) 總書(shu) 記匯報了激光加速器的研發和建設過程，並自豪地說：“從(cong) 樣機的建造到不斷完善，並建成第一台真正的激光質子加速器，整個(ge) 過程都是我們(men) 中國人自己完成的。”

顏學慶（左一）向習(xi) 總書(shu) 記匯報激光加速器的研發和建設過程

2019年12月，國家重點研發計劃“重大科學儀(yi) 器設備開發”重點專(zhuan) 項“拍瓦激光質子加速器裝置研究與(yu) 應用示範”項目正式批複。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控製、拍瓦級激光器高重頻自動化打靶、先進納米靶材高品質大批量製備、百兆電子伏量級高能質子產(chan) 生、超高流強消色散質子束傳(chuan) 輸、大能散質子束能譜剪裁、激光質子束治療頭、麵向激光質子束的放療計劃係統等一係列關(guan) 鍵技術，開發具有自主知識產(chan) 權、質量穩定可靠、核心部件國產(chan) 化的激光質子放療係統，並開發相關(guan) 軟件和數據庫，實現質子放射腫瘤治療。

聚智匯眾(zhong) 力，五課題聚焦關(guan) 鍵問題

科學儀(yi) 器設備研發不同於(yu) 基礎研究，不僅(jin) 需要集合優(you) 勢科研和技術力量協同，還需高度統籌協調，充分調動人力、物力和財力等相關(guan) 資源。為(wei) 此，根據《國家重點研發計劃管理暫行辦法》的規定，北京大學作為(wei) 項目牽頭承擔單位，協助項目團隊組建了總體(ti) 專(zhuan) 家組、技術專(zhuan) 家組以及用戶專(zhuan) 家委員會(hui) ，相關(guan) 職能部門全力“保駕護航”。

前期，項目團隊就技術路線、分工安排、時間節點、管理機製等多次組織詳細討論與(yu) 充分溝通，目前已確定具體(ti) 實施方案，並建立了周密嚴(yan) 格的項目組織管理機製。

項目根據關(guan) 鍵科技問題設置了重頻高功率飛秒激光係統、激光質子束加速及診斷係統、質子束流配送係統及治療頭、激光加速器控製係統和應用平台、質子治療劑量驗證與(yu) 治療計劃係統五個(ge) 課題。在北京市人民政府和北京市發展和改革委員會(hui) 的大力支持下，項目將落地位於(yu) 懷柔科學城核心區的激光加速創新中心，建設激光加速器研究平台——這裏不僅(jin) 將成為(wei) 項目“主戰場”，更將成為(wei) 團隊內(nei) 外專(zhuan) 家學者進行開拓性研究，促進激光加速器與(yu) 能源、空間、生物以及材料等學科交叉融合的研發中心，也為(wei) 國家“十四五”激光大科學裝置研發奠定必要的技術基礎。

五個(ge) 課題關(guan) 係示意圖

激光加速創新中心位於(yu) 懷柔科學城核心區

定心十一年，以定力推進科技創新

“本項目作為(wei) 科技部重大創新舉(ju) 措，是第一個(ge) 執行十一年的項目，充分體(ti) 現了國家對於(yu) 科技創新的決(jue) 心和毅力。”顏學慶教授深有感觸地說。

從(cong) 2019年12月立項到2030年11月完成，項目全周期分為(wei) 三個(ge) 研發階段，將鑄造“建成束流穩定可靠的重頻百兆電子伏激光質子放療原理樣機”“建成基於(yu) 激光加速器質子放療工程樣機”“構建激光加速大科學裝置”“激光係統關(guan) 鍵器件實現國產(chan) 化”“完成產(chan) 品定型”“通過 CFDA 認證”等一座座“裏程碑”，實現技術成熟度達到9級、激光器核心部件國產(chan) 化的激光質子放療產(chan) 品，並形成以企業(ye) 為(wei) 主體(ti) 的緊密型產(chan) 業(ye) 結構。

項目結束後，激光質子放療係統的產(chan) 品性能可媲美現有傳(chuan) 統質子治療係統水平，而在降低體(ti) 積，造價(jia) 和運行維護費用等方麵具有巨大的潛力。“屆時，市一級三甲醫院無需大規模改建，均有條件配置，”顏學慶這樣預期，“質子放療所需的治療費用也會(hui) 顯著降低，能造福更廣大的癌症患者。”