工作中的趙家瑞（右）

北京激光加速中心外景供圖/懷柔科學(xué)城

正在加速建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的北京，有一批青年科研人員正在為科技自強(qiáng)默默奉獻(xiàn)著。

1988年出生的趙家瑞，是北京激光加速創(chuàng)新中心的青年骨干。他所就職的北京激光加速創(chuàng)新中心，是北京市第二批交叉研究平臺(tái)之一，正在探索用激光加速技術(shù)治療癌癥。這項(xiàng)技術(shù)是我國(guó)激光質(zhì)子加速領(lǐng)域從科研走進(jìn)應(yīng)用的首次嘗試。

“讓我們國(guó)家在高水平科技領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更多‘0到1’的突破，是所有科研人員的目標(biāo)和愿望。”趙家瑞自豪地向北京青年報(bào)記者介紹了北京激光加速創(chuàng)新中心的新成果：完成了激光加速器各項(xiàng)設(shè)備的整體聯(lián)通，首次實(shí)現(xiàn)激光從加速到傳輸?shù)娜抗δ埽@標(biāo)志著世界上第一臺(tái)激光質(zhì)子癌癥治療裝置——飛秒激光“質(zhì)子刀”的核心部件基本建成。未來(lái)將在激光質(zhì)子加速后，通過(guò)束線控制精準(zhǔn)“打擊”腫瘤細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)高效殺死腫瘤細(xì)胞的目標(biāo)。

這些突破的背后，是科研團(tuán)隊(duì)六年如一日的鉆研。作為核心成員，趙家瑞見(jiàn)證和參與了讓激光跑出“加速度”的過(guò)程。

一次深談加入團(tuán)隊(duì)投身科研應(yīng)用領(lǐng)域

2月中旬，位于懷柔科學(xué)城的北京激光加速創(chuàng)新中心內(nèi)一片忙碌的場(chǎng)景。趙家瑞春節(jié)后幾乎天天在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行科研攻關(guān)，這樣的工作節(jié)奏就是團(tuán)隊(duì)的日常。

走進(jìn)趙家瑞每天工作的拍瓦激光質(zhì)子加速靶場(chǎng)，一排排銀色的真空腔體映入眼簾。真空腔體內(nèi)，多個(gè)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(gè)真空腔體的內(nèi)部就是實(shí)現(xiàn)激光質(zhì)子加速的地方，在這里可以把大口徑激光束聚焦到一個(gè)小點(diǎn)上，并經(jīng)過(guò)與靶材相互作用后產(chǎn)生瞬態(tài)極強(qiáng)電場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)子加速?！邦?lèi)似于用凸透鏡聚焦光線點(diǎn)燃火柴的原理，讓1萬(wàn)億個(gè)光子，在同一時(shí)間整齊地聚集到比頭發(fā)絲還小100倍的點(diǎn)上。這一環(huán)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要?！?/p>

“從首次打靶成功時(shí)的30TW激光功率，到如今靶場(chǎng)可以在500TW下運(yùn)行。雖與在激光器滿功率2PW（1PW=1000TW）運(yùn)行下開(kāi)展打靶實(shí)驗(yàn)相比還有差距，但就像在開(kāi)一臺(tái)速度上限為200公里/小時(shí)的汽車(chē)，我們這些新手一開(kāi)始要在低速下跑，跑熟了才敢開(kāi)快?！睂?duì)于目前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，趙家瑞的言語(yǔ)里充滿了自信。

談起如何與項(xiàng)目結(jié)緣？他開(kāi)玩笑道：“一次深談便決定加入。”8年前，趙家瑞還是一名即將從中國(guó)科學(xué)院物理研究所畢業(yè)的博士生。在畢業(yè)答辯時(shí)，他碰到了后來(lái)科研方向的領(lǐng)路人——北京大學(xué)物理學(xué)院教授顏學(xué)慶。“很早前就對(duì)顏教授有所了解。早在2015年，顏教授就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在北京大學(xué)建成國(guó)際上首臺(tái)1%～5%能散、能量和電量可調(diào)的激光質(zhì)子加速器與輻照裝置?？蓪?shí)現(xiàn)1%的質(zhì)子能散輸出且束流非常的穩(wěn)定，這與我的研究方面很契合?！?/p>

之后，顏學(xué)慶與趙家瑞便有了一次決定加入團(tuán)隊(duì)的深度探討。探討中，顏學(xué)慶教授向他坦誠(chéng)提出，希望其能夠在做激光質(zhì)子加速方向理論研究的同時(shí)，再進(jìn)一步，將理論推動(dòng)到實(shí)際應(yīng)用?！皩⒓す饧铀儋|(zhì)子應(yīng)用于治療癌癥，將科研成果付諸實(shí)踐，是件非常有意義的事情?！北е鴮?duì)科研創(chuàng)新的一腔熱忱，趙家瑞加入北京大學(xué)，并作為青年骨干，在“拍瓦激光質(zhì)子加速系統(tǒng)”負(fù)責(zé)人馬文君教授指導(dǎo)下，開(kāi)始了科研工作。北京激光加速創(chuàng)新中心是北大深度參與懷柔科學(xué)城建設(shè)并承建的科研平臺(tái)，趙家瑞就此和懷柔結(jié)緣。

設(shè)計(jì)方案迭代幾十版“門(mén)外漢”變身行家

趙家瑞記得很清楚，2019年11月，“拍瓦激光質(zhì)子加速器裝置研究與應(yīng)用示范”專(zhuān)項(xiàng)正式在科技部立項(xiàng)?？粗?dāng)時(shí)還很荒涼的北京激光加速創(chuàng)新中心地基施工現(xiàn)場(chǎng)，他覺(jué)得鍛煉的機(jī)會(huì)來(lái)了，“這對(duì)于年輕人來(lái)說(shuō)，是成長(zhǎng)的機(jī)遇，可以打開(kāi)思路，不停地給自己加技能點(diǎn)?！壁w家瑞懷揣著滿滿的激情，投入北京激光加速創(chuàng)新中心的核心環(huán)節(jié)——“靶場(chǎng)”設(shè)計(jì)和建設(shè)中。

趙家瑞跟著馬教授走訪多地，深入調(diào)研國(guó)內(nèi)及世界上先進(jìn)激光裝置的靶場(chǎng)與腔體的設(shè)計(jì)方案，仔細(xì)鉆研每個(gè)細(xì)節(jié)，以工程化的思維來(lái)做設(shè)計(jì)?！鞍袌?chǎng)”建設(shè)是在北大技物樓的原有樣機(jī)基礎(chǔ)上，建設(shè)一個(gè)大10倍的裝置。但這不僅是簡(jiǎn)單的放大，還需要應(yīng)對(duì)指標(biāo)提升所帶來(lái)的技術(shù)難題。以真空腔體內(nèi)的大口徑聚焦鏡為例，在接近米級(jí)的尺寸下，鏡面平整度需要控制在納米量級(jí)，并且要有高反射率和高損傷閾值，否則就有被“打壞”的風(fēng)險(xiǎn)。幾年時(shí)間里，僅真空腔體和光路部分的設(shè)計(jì)方案，就迭代了幾十版，數(shù)千頁(yè)的論證材料摞起來(lái)有好幾米高。

不僅要設(shè)計(jì)和論證，還要負(fù)責(zé)聯(lián)系關(guān)鍵部件的研制?！耙ＷC鏡面有超過(guò)99.5%以上的高反射功率，損傷閾值也要達(dá)到飛秒拍瓦激光的苛刻要求?！壁w家瑞和團(tuán)隊(duì)為了找到如此高參數(shù)要求的大口徑聚焦鏡，幾乎跑遍了國(guó)內(nèi)所有能做這類(lèi)光學(xué)元件的生產(chǎn)廠家。

“專(zhuān)項(xiàng)的出發(fā)點(diǎn)是要做原始創(chuàng)新，設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率對(duì)我們來(lái)說(shuō)意義重大。很多關(guān)鍵部件國(guó)內(nèi)沒(méi)做過(guò)，能以此項(xiàng)目為契機(jī)，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)周邊產(chǎn)業(yè)科技水平發(fā)展，非常有意義。”正是這樣的韌勁，他們生生從“門(mén)外漢”變身行家里手，最終探索出一條穩(wěn)定的生產(chǎn)供應(yīng)渠道。

新身份是項(xiàng)目經(jīng)理“靶場(chǎng)”建設(shè)跑出中國(guó)速度

2023年2月8日，期盼了近4年的北京激光加速創(chuàng)新中心正式落成。這對(duì)于趙家瑞和團(tuán)隊(duì)的同事來(lái)說(shuō)，真正的戰(zhàn)役才剛剛打響?？粗€是毛坯的中心，團(tuán)隊(duì)就地召開(kāi)了項(xiàng)目實(shí)施推動(dòng)會(huì)、啟動(dòng)會(huì)、誓師大會(huì)，“我們帶著設(shè)備、前期的設(shè)計(jì)圖紙，原地開(kāi)始擼起袖子加油干”。

趙家瑞一頭扎進(jìn)了“靶場(chǎng)”的設(shè)備入場(chǎng)工作中。這次要解決的問(wèn)題是將一個(gè)個(gè)激光管道拼接完成、讓一個(gè)個(gè)真空腔體成功進(jìn)駐“實(shí)驗(yàn)室”，調(diào)試各種功能。

“靶場(chǎng)項(xiàng)目經(jīng)理”成了趙家瑞的新身份，對(duì)于從沒(méi)接觸過(guò)工程的他來(lái)說(shuō)，又是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)，每一步都是摸著石頭過(guò)河。例如，一個(gè)體積幾十立方米、重達(dá)10噸的大型真空腔體，如何平安送入“靶場(chǎng)”列裝到位并具備實(shí)驗(yàn)功能，就是很大的挑戰(zhàn)。這不是簡(jiǎn)單的“搬家”，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備對(duì)圖紙的復(fù)原度要求很高，對(duì)加工精度要求苛刻。時(shí)間緊任務(wù)重，要求一次通過(guò)，容錯(cuò)率很低。稍有差池就需返廠重做，再等幾個(gè)月會(huì)嚴(yán)重拖延進(jìn)度。為此，趙家瑞盡量將所有驗(yàn)收工作都提前到工廠去做。當(dāng)叉車(chē)裝載著真空腔體進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，車(chē)體左右兩邊是墻體和柱子，最終以左右1厘米的間隙順利通過(guò)。趙家瑞說(shuō)，“有驚無(wú)險(xiǎn)，可以說(shuō)基本完全復(fù)原了圖紙”。

入場(chǎng)后，團(tuán)隊(duì)一刻不停歇，開(kāi)始管道拼接，安裝真空泵、真空閥，調(diào)試設(shè)備功能，六個(gè)月就完成了實(shí)驗(yàn)前所有調(diào)試工作，這樣的安裝、調(diào)試時(shí)間也跑出了“中國(guó)速度”。“美國(guó)、歐洲、韓國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家的拍瓦激光裝置的靶場(chǎng)建設(shè)周期都在三年以上”，趙家瑞給團(tuán)隊(duì)豎起大拇指。

一周完成“打靶”質(zhì)子加速邁入新階段

設(shè)備的入場(chǎng)，也給趙家瑞的生活帶來(lái)很大變化。他開(kāi)始“常駐”懷柔，“我們辦公室每個(gè)人都有一張行軍床，實(shí)驗(yàn)結(jié)束得晚，鋪開(kāi)就能睡?！壁w家瑞告訴北青報(bào)記者，“靶場(chǎng)”建設(shè)開(kāi)始后，大家大多數(shù)時(shí)間都在辦公室住。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段后，行軍床更成為必需品。

“前沿科技一定要做到自立自強(qiáng)，從理論到實(shí)驗(yàn)，都要做到由中國(guó)人自己完成?！壁w家瑞解釋?zhuān)隹蒲信c將科研成果應(yīng)用于實(shí)際有很大不同。實(shí)驗(yàn)室的傳統(tǒng)科研思維是突破指標(biāo)即可。比如，質(zhì)子能量達(dá)到可腫瘤治療的程度就夠了，但應(yīng)用于工程實(shí)踐就需要質(zhì)子束流具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性、可靠性。“要想將激光質(zhì)子加速器實(shí)際投入醫(yī)院使用，必須穩(wěn)定地產(chǎn)生質(zhì)子，這就需要花大量時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)和論證。其中的技術(shù)難點(diǎn)、工藝難點(diǎn)，都需要一步一步著力解決。在馬文君老師的領(lǐng)導(dǎo)下，我們研制出了具有國(guó)際先進(jìn)水平的先進(jìn)納米靶材和高精度重頻打靶系統(tǒng)，可連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生高能質(zhì)子?！?/p>

2024年7月6日，中心完成了首次激光打靶實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著拍瓦激光質(zhì)子加速裝置的建設(shè)邁入了新的階段。從6月28日激光通到“靶場(chǎng)”，一周內(nèi)完成“打靶”，這是在全世界都沒(méi)有的“中國(guó)速度”。趙家瑞對(duì)此記憶猶新，高效的背后，是團(tuán)隊(duì)經(jīng)常連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)蹲在1米高的腔體內(nèi)的辛苦付出。就在“打靶”前一天，“靶點(diǎn)”跑丟、設(shè)備故障等突發(fā)狀況讓大伙兒措手不及，“從頭一天早晨七八點(diǎn)干到第二天凌晨4點(diǎn)，沒(méi)合眼，”趙家瑞笑著說(shuō)，為了更快找到“靶點(diǎn)”，團(tuán)隊(duì)里的同事還設(shè)計(jì)出一套專(zhuān)門(mén)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(yīng)用新場(chǎng)景

從北京激光加速創(chuàng)新中心四層向窗外遠(yuǎn)眺，國(guó)家級(jí)大科學(xué)裝置高能同步輻射光源、綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置盡收眼底。作為“三城一區(qū)”的主平臺(tái)，懷柔科學(xué)城2024年進(jìn)入以“運(yùn)行為主”的新階段，今年，“十三五”時(shí)期布局的29個(gè)設(shè)施平臺(tái)全部試運(yùn)行。

在頂層設(shè)計(jì)的加持下，越來(lái)越多科研設(shè)施、園區(qū)開(kāi)始建設(shè)，聚集在懷柔的科研人員已達(dá)2.5萬(wàn)人。原始創(chuàng)新，并不意味著要閉門(mén)造車(chē)，而是要更加主動(dòng)地在開(kāi)放合作中，提升自身科技創(chuàng)新能力?？茖W(xué)資源的高度聚集，給以趙家瑞為代表的青年科研人員提供了啟發(fā)思維、創(chuàng)新交流的機(jī)會(huì)?！敖嚯x跟諾獎(jiǎng)級(jí)別的大師交流，是很多青年科研人員一輩子都遇不到的機(jī)會(huì)，他們報(bào)告中的某一句話，都有可能對(duì)自己的科研產(chǎn)生深刻影響，交流中也可能獲得很多學(xué)科交叉融合帶來(lái)的驚喜?！壁w家瑞舉例說(shuō)，他和團(tuán)隊(duì)伙伴正在跟其他高校和研究院所合作，進(jìn)行激光品質(zhì)診斷設(shè)備的研制，并獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持，這一項(xiàng)目完成后將在激光加工與裝備領(lǐng)域有重要應(yīng)用?！斑@就是我們?cè)谝淮螌W(xué)術(shù)科研交流會(huì)上，雙方‘碰撞’的成果?！彼f(shuō)，團(tuán)隊(duì)有高功率激光診斷的前期技術(shù)積累，對(duì)方有應(yīng)用需求，雙方很快開(kāi)始合作，“我們的技術(shù)優(yōu)勢(shì)不僅可以用于治療癌癥，還可以用于其他的場(chǎng)景”。

六年來(lái)，從無(wú)到有地不斷探索嘗試，讓趙家瑞感慨良多，從決定加入團(tuán)隊(duì)的那一刻起，就將做科研當(dāng)成了人生的事業(yè)。未來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用中，激光加速技術(shù)在高效殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)，比傳統(tǒng)的放化療對(duì)正常組織損害更小。此外，激光加速器質(zhì)子治療裝置具有比傳統(tǒng)質(zhì)子治療設(shè)備體積更小、治療費(fèi)用更廉價(jià)、更易于普及等潛在優(yōu)勢(shì)。

“作為青年科研人員，我們有責(zé)任將搶占科技創(chuàng)新制高點(diǎn)作為己任，并不斷努力。”趙家瑞說(shuō)，能夠見(jiàn)證我國(guó)激光加速器研究實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”“并跑”向“領(lǐng)跑”的轉(zhuǎn)變，就是自己最大的財(cái)富。他相信這把飛秒激光“質(zhì)子刀”，能夠成為造福百姓的新技術(shù)。

在趙家瑞的辦公室，同事們手寫(xiě)的春聯(lián)還緊緊地貼在門(mén)框上，“激光加速成大器揚(yáng)帆起航譜新篇”，春聯(lián)的內(nèi)容透露著科研的雄心，也是他們對(duì)事業(yè)的追求。在北京市加速?lài)?guó)際科技創(chuàng)新中心的頂層設(shè)計(jì)下，像趙家瑞一樣的青年科學(xué)家們，在默默努力奉獻(xiàn)著，他們有信心推動(dòng)實(shí)現(xiàn)國(guó)家的科技自立自強(qiáng)。