工作中的趙家瑞（右）

北京激光加速中心外景供圖/懷柔科學城

正在加速建設國際科技創新中心的北京，有一批青年科研人員正在為(wei) 科技自強默默奉獻著。

1988年出生的趙家瑞，是北京激光加速創新中心的青年骨幹。他所就職的北京激光加速創新中心，是北京市第二批交叉研究平台之一，正在探索用激光加速技術治療癌症。這項技術是我國激光質子加速領域從(cong) 科研走進應用的首次嚐試。

“讓我們(men) 國家在高水平科技領域實現更多‘0到1’的突破，是所有科研人員的目標和願望。”趙家瑞自豪地向北京青年報記者介紹了北京激光加速創新中心的新成果：完成了激光加速器各項設備的整體(ti) 聯通，首次實現激光從(cong) 加速到傳(chuan) 輸的全部功能，這標誌著世界上第一台激光質子癌症治療裝置——飛秒激光“質子刀”的核心部件基本建成。未來將在激光質子加速後，通過束線控製精準“打擊”腫瘤細胞，實現高效殺死腫瘤細胞的目標。

這些突破的背後，是科研團隊六年如一日的鑽研。作為(wei) 核心成員，趙家瑞見證和參與(yu) 了讓激光跑出“加速度”的過程。

一次深談加入團隊投身科研應用領域

2月中旬，位於(yu) 懷柔科學城的北京激光加速創新中心內(nei) 一片忙碌的場景。趙家瑞春節後幾乎天天在實驗室裏進行科研攻關(guan) ，這樣的工作節奏就是團隊的日常。

走進趙家瑞每天工作的拍瓦激光質子加速靶場，一排排銀色的真空腔體(ti) 映入眼簾。真空腔體(ti) 內(nei) ，多個(ge) 直徑1米左右的反光鏡按不同角度擺放著。趙家瑞介紹，這個(ge) 真空腔體(ti) 的內(nei) 部就是實現激光質子加速的地方，在這裏可以把大口徑激光束聚焦到一個(ge) 小點上，並經過與(yu) 靶材相互作用後產(chan) 生瞬態極強電場，進而實現質子加速。“類似於(yu) 用凸透鏡聚焦光線點燃火柴的原理，讓1萬(wan) 億(yi) 個(ge) 光子，在同一時間整齊地聚集到比頭發絲(si) 還小100倍的點上。這一環對整個(ge) 實驗至關(guan) 重要。”

“從(cong) 首次打靶成功時的30TW激光功率，到如今靶場可以在500TW下運行。雖與(yu) 在激光器滿功率2PW（1PW=1000TW）運行下開展打靶實驗相比還有差距，但就像在開一台速度上限為(wei) 200公裏/小時的汽車，我們(men) 這些新手一開始要在低速下跑，跑熟了才敢開快。”對於(yu) 目前的實驗進展，趙家瑞的言語裏充滿了自信。

談起如何與(yu) 項目結緣？他開玩笑道：“一次深談便決(jue) 定加入。”8年前，趙家瑞還是一名即將從(cong) 中國科學院物理研究所畢業(ye) 的博士生。在畢業(ye) 答辯時，他碰到了後來科研方向的領路人——北京大學物理學院教授顏學慶。“很早前就對顏教授有所了解。早在2015年，顏教授就帶領團隊在北京大學建成國際上首台1%～5%能散、能量和電量可調的激光質子加速器與(yu) 輻照裝置。可實現1%的質子能散輸出且束流非常的穩定，這與(yu) 我的研究方麵很契合。”

之後，顏學慶與(yu) 趙家瑞便有了一次決(jue) 定加入團隊的深度探討。探討中，顏學慶教授向他坦誠提出，希望其能夠在做激光質子加速方向理論研究的同時，再進一步，將理論推動到實際應用。“將激光加速質子應用於(yu) 治療癌症，將科研成果付諸實踐，是件非常有意義(yi) 的事情。”抱著對科研創新的一腔熱忱，趙家瑞加入北京大學，並作為(wei) 青年骨幹，在“拍瓦激光質子加速係統”負責人馬文君教授指導下，開始了科研工作。北京激光加速創新中心是北大深度參與(yu) 懷柔科學城建設並承建的科研平台，趙家瑞就此和懷柔結緣。

設計方案迭代幾十版“門外漢”變身行家

趙家瑞記得很清楚，2019年11月，“拍瓦激光質子加速器裝置研究與(yu) 應用示範”專(zhuan) 項正式在科技部立項。看著當時還很荒涼的北京激光加速創新中心地基施工現場，他覺得鍛煉的機會(hui) 來了，“這對於(yu) 年輕人來說，是成長的機遇，可以打開思路，不停地給自己加技能點。”趙家瑞懷揣著滿滿的激情，投入北京激光加速創新中心的核心環節——“靶場”設計和建設中。

趙家瑞跟著馬教授走訪多地，深入調研國內(nei) 及世界上先進激光裝置的靶場與(yu) 腔體(ti) 的設計方案，仔細鑽研每個(ge) 細節，以工程化的思維來做設計。“靶場”建設是在北大技物樓的原有樣機基礎上，建設一個(ge) 大10倍的裝置。但這不僅(jin) 是簡單的放大，還需要應對指標提升所帶來的技術難題。以真空腔體(ti) 內(nei) 的大口徑聚焦鏡為(wei) 例，在接近米級的尺寸下，鏡麵平整度需要控製在納米量級，並且要有高反射率和高損傷(shang) 閾值，否則就有被“打壞”的風險。幾年時間裏，僅(jin) 真空腔體(ti) 和光路部分的設計方案，就迭代了幾十版，數千頁的論證材料摞起來有好幾米高。

不僅(jin) 要設計和論證，還要負責聯係關(guan) 鍵部件的研製。“要保證鏡麵有超過99.5%以上的高反射功率，損傷(shang) 閾值也要達到飛秒拍瓦激光的苛刻要求。”趙家瑞和團隊為(wei) 了找到如此高參數要求的大口徑聚焦鏡，幾乎跑遍了國內(nei) 所有能做這類光學元件的生產(chan) 廠家。

“專(zhuan) 項的出發點是要做原始創新，設備的國產(chan) 化率對我們(men) 來說意義(yi) 重大。很多關(guan) 鍵部件國內(nei) 沒做過，能以此項目為(wei) 契機，帶動國內(nei) 周邊產(chan) 業(ye) 科技水平發展，非常有意義(yi) 。”正是這樣的韌勁，他們(men) 生生從(cong) “門外漢”變身行家裏手，最終探索出一條穩定的生產(chan) 供應渠道。

新身份是項目經理“靶場”建設跑出中國速度

2023年2月8日，期盼了近4年的北京激光加速創新中心正式落成。這對於(yu) 趙家瑞和團隊的同事來說，真正的戰役才剛剛打響。看著還是毛坯的中心，團隊就地召開了項目實施推動會(hui) 、啟動會(hui) 、誓師大會(hui) ，“我們(men) 帶著設備、前期的設計圖紙，原地開始擼起袖子加油幹”。

趙家瑞一頭紮進了“靶場”的設備入場工作中。這次要解決(jue) 的問題是將一個(ge) 個(ge) 激光管道拚接完成、讓一個(ge) 個(ge) 真空腔體(ti) 成功進駐“實驗室”，調試各種功能。

“靶場項目經理”成了趙家瑞的新身份，對於(yu) 從(cong) 沒接觸過工程的他來說，又是一個(ge) 不小的挑戰，每一步都是摸著石頭過河。例如，一個(ge) 體(ti) 積幾十立方米、重達10噸的大型真空腔體(ti) ，如何平安送入“靶場”列裝到位並具備實驗功能，就是很大的挑戰。這不是簡單的“搬家”，實驗室的設備對圖紙的複原度要求很高，對加工精度要求苛刻。時間緊任務重，要求一次通過，容錯率很低。稍有差池就需返廠重做，再等幾個(ge) 月會(hui) 嚴(yan) 重拖延進度。為(wei) 此，趙家瑞盡量將所有驗收工作都提前到工廠去做。當叉車裝載著真空腔體(ti) 進入實驗室時，車體(ti) 左右兩(liang) 邊是牆體(ti) 和柱子，最終以左右1厘米的間隙順利通過。趙家瑞說，“有驚無險，可以說基本完全複原了圖紙”。

入場後，團隊一刻不停歇，開始管道拚接，安裝真空泵、真空閥，調試設備功能，六個(ge) 月就完成了實驗前所有調試工作，這樣的安裝、調試時間也跑出了“中國速度”。“美國、歐洲、韓國等一些發達國家的拍瓦激光裝置的靶場建設周期都在三年以上”，趙家瑞給團隊豎起大拇指。

一周完成“打靶”質子加速邁入新階段

設備的入場，也給趙家瑞的生活帶來很大變化。他開始“常駐”懷柔，“我們(men) 辦公室每個(ge) 人都有一張行軍(jun) 床，實驗結束得晚，鋪開就能睡。”趙家瑞告訴北青報記者，“靶場”建設開始後，大家大多數時間都在辦公室住。進入實驗測試階段後，行軍(jun) 床更成為(wei) 必需品。

“前沿科技一定要做到自立自強，從(cong) 理論到實驗，都要做到由中國人自己完成。”趙家瑞解釋，做科研與(yu) 將科研成果應用於(yu) 實際有很大不同。實驗室的傳(chuan) 統科研思維是突破指標即可。比如，質子能量達到可腫瘤治療的程度就夠了，但應用於(yu) 工程實踐就需要質子束流具有很強的穩定性、可靠性。“要想將激光質子加速器實際投入醫院使用，必須穩定地產(chan) 生質子，這就需要花大量時間來設計和論證。其中的技術難點、工藝難點，都需要一步一步著力解決(jue) 。在馬文君老師的領導下，我們(men) 研製出了具有國際先進水平的先進納米靶材和高精度重頻打靶係統，可連續穩定產(chan) 生高能質子。”

2024年7月6日，中心完成了首次激光打靶實驗，標誌著拍瓦激光質子加速裝置的建設邁入了新的階段。從(cong) 6月28日激光通到“靶場”，一周內(nei) 完成“打靶”，這是在全世界都沒有的“中國速度”。趙家瑞對此記憶猶新，高效的背後，是團隊經常連續十幾個(ge) 小時蹲在1米高的腔體(ti) 內(nei) 的辛苦付出。就在“打靶”前一天，“靶點”跑丟(diu) 、設備故障等突發狀況讓大夥(huo) 兒(er) 措手不及，“從(cong) 頭一天早晨七八點幹到第二天淩晨4點，沒合眼，”趙家瑞笑著說，為(wei) 了更快找到“靶點”，團隊裏的同事還設計出一套專(zhuan) 門的小程序輔助工作，“也算好事多磨，鍛煉一下大家的抗壓能力”。

科研人才齊聚懷柔交流拓展應用新場景

從(cong) 北京激光加速創新中心四層向窗外遠眺，國家級大科學裝置高能同步輻射光源、綜合極端條件實驗裝置盡收眼底。作為(wei) “三城一區”的主平台，懷柔科學城2024年進入以“運行為(wei) 主”的新階段，今年，“十三五”時期布局的29個(ge) 設施平台全部試運行。

在頂層設計的加持下，越來越多科研設施、園區開始建設，聚集在懷柔的科研人員已達2.5萬(wan) 人。原始創新，並不意味著要閉門造車，而是要更加主動地在開放合作中，提升自身科技創新能力。科學資源的高度聚集，給以趙家瑞為(wei) 代表的青年科研人員提供了啟發思維、創新交流的機會(hui) 。“近距離跟諾獎級別的大師交流，是很多青年科研人員一輩子都遇不到的機會(hui) ，他們(men) 報告中的某一句話，都有可能對自己的科研產(chan) 生深刻影響，交流中也可能獲得很多學科交叉融合帶來的驚喜。”趙家瑞舉(ju) 例說，他和團隊夥(huo) 伴正在跟其他高校和研究院所合作，進行激光品質診斷設備的研製，並獲得了國家重點研發計劃項目的支持，這一項目完成後將在激光加工與(yu) 裝備領域有重要應用。“這就是我們(men) 在一次學術科研交流會(hui) 上，雙方‘碰撞’的成果。”他說，團隊有高功率激光診斷的前期技術積累，對方有應用需求，雙方很快開始合作，“我們(men) 的技術優(you) 勢不僅(jin) 可以用於(yu) 治療癌症，還可以用於(yu) 其他的場景”。

六年來，從(cong) 無到有地不斷探索嚐試，讓趙家瑞感慨良多，從(cong) 決(jue) 定加入團隊的那一刻起，就將做科研當成了人生的事業(ye) 。未來，在實際應用中，激光加速技術在高效殺死腫瘤細胞的同時，比傳(chuan) 統的放化療對正常組織損害更小。此外，激光加速器質子治療裝置具有比傳(chuan) 統質子治療設備體(ti) 積更小、治療費用更廉價(jia) 、更易於(yu) 普及等潛在優(you) 勢。

“作為(wei) 青年科研人員，我們(men) 有責任將搶占科技創新製高點作為(wei) 己任，並不斷努力。”趙家瑞說，能夠見證我國激光加速器研究實現了從(cong) “跟跑”“並跑”向“領跑”的轉變，就是自己最大的財富。他相信這把飛秒激光“質子刀”，能夠成為(wei) 造福百姓的新技術。

在趙家瑞的辦公室，同事們(men) 手寫(xie) 的春聯還緊緊地貼在門框上，“激光加速成大器揚帆起航譜新篇”，春聯的內(nei) 容透露著科研的雄心，也是他們(men) 對事業(ye) 的追求。在北京市加速國際科技創新中心的頂層設計下，像趙家瑞一樣的青年科學家們(men) ，在默默努力奉獻著，他們(men) 有信心推動實現國家的科技自立自強。