2020年6月12日，國家重點研發(fā)計劃“重大科學儀器設備開發(fā)”專項 “拍瓦激光質子加速器裝置研究與應用示范”項目啟動會在北京大學召開。這標志著在科技部、教育部等有關部委的支持下，由北京大學牽頭承擔的這一國家重大項目正式“啟航”。
項目啟動會現場
埋首為“加速”，十余載矢志不移
該項目將基于重頻拍瓦激光器的激光質子加速器，研制開發(fā)穩(wěn)定可靠的激光質子放射治療系統(tǒng)，并開展圍繞腫瘤治療的應用示范研究，經過臨床測試及醫(yī)學認證，最終完成滿足醫(yī)院治療需求的激光質子放療產品樣機，并逐步實現產業(yè)化。
項目負責人、北京大學物理學院副院長、核物理與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沖激光與靶材相互作用產生的瞬態(tài)高強度靜電場加速質子，僅需數百微米就可將質子加速到百兆電子伏量級，產生的質子束具有寬能譜、脈沖短（皮秒量級）、源尺寸?。ㄎ⒚祝┘澳芰哭D換效率高等特點。利用高磁場梯度的超小型脈沖磁鐵對靶后質子流進行收集與控制，可獲得與傳統(tǒng)加速器品質相當的單能或寬譜質子束流。”相比大型的傳統(tǒng)質子加速器，激光加速器有哪些獨特優(yōu)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、系統(tǒng)復雜程度等方面有獨特優(yōu)勢?；诩す饧铀倨鞯募す赓|子放療系統(tǒng)一旦研制成功，將可以安裝在各大醫(yī)院現場，能夠大幅降低癌癥患者的治療費用，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(wěn)相光壓方法加速離子的原理。2010年，顏學慶從德國馬普量子光學所訪學歸來，深感中國的醫(yī)療、生物等領域亟需激光加速器的助力，于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鍵技術研發(fā)”獲得國家重大科學儀器設備開發(fā)專項立項。顏學慶教授領導的團隊基于原創(chuàng)的激光穩(wěn)相光壓加速新方法，以具有自主知識產權的超小型激光離子加速器設備研發(fā)為突破口, 在2012至2017五年間開展了高梯度激光離子加速器的研制工作，在攻克“高對比度高功率飛秒激光”“自支撐納米薄膜靶”“激光等離子體透鏡”“激光驅動超高流強離子束傳輸”等一系列關鍵技術后，建成國際首臺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輻照裝置。鑒于證實了激光加速器可以實現束流單能性、穩(wěn)定性和可控性，實現了從激光加速到激光質子加速器的關鍵性跨越，該項工作被授予2019年世界加速器物理大會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，習近平總書記到北大考察，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。顏學慶向習總書記匯報了激光加速器的研發(fā)和建設過程，并自豪地說：“從樣機的建造到不斷完善，并建成第一臺真正的激光質子加速器，整個過程都是我們中國人自己完成的?！?/p>
顏學慶（左一）向習總書記匯報激光加速器的研發(fā)和建設過程
2019年12月，國家重點研發(fā)計劃“重大科學儀器設備開發(fā)”重點專項“拍瓦激光質子加速器裝置研究與應用示范”項目正式批復。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制、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制備、百兆電子伏量級高能質子產生、超高流強消色散質子束傳輸、大能散質子束能譜剪裁、激光質子束治療頭、面向激光質子束的放療計劃系統(tǒng)等一系列關鍵技術，開發(fā)具有自主知識產權、質量穩(wěn)定可靠、核心部件國產化的激光質子放療系統(tǒng)，并開發(fā)相關軟件和數據庫，實現質子放射腫瘤治療。
聚智匯眾力，五課題聚焦關鍵問題
科學儀器設備研發(fā)不同于基礎研究，不僅需要集合優(yōu)勢科研和技術力量協(xié)同，還需高度統(tǒng)籌協(xié)調，充分調動人力、物力和財力等相關資源。為此，根據《國家重點研發(fā)計劃管理暫行辦法》的規(guī)定，北京大學作為項目牽頭承擔單位，協(xié)助項目團隊組建了總體專家組、技術專家組以及用戶專家委員會，相關職能部門全力“保駕護航”。
前期，項目團隊就技術路線、分工安排、時間節(jié)點、管理機制等多次組織詳細討論與充分溝通，目前已確定具體實施方案，并建立了周密嚴格的項目組織管理機制。
項目根據關鍵科技問題設置了重頻高功率飛秒激光系統(tǒng)、激光質子束加速及診斷系統(tǒng)、質子束流配送系統(tǒng)及治療頭、激光加速器控制系統(tǒng)和應用平臺、質子治療劑量驗證與治療計劃系統(tǒng)五個課題。在北京市人民政府和北京市發(fā)展和改革委員會的大力支持下，項目將落地位于懷柔科學城核心區(qū)的激光加速創(chuàng)新中心，建設激光加速器研究平臺——這里不僅將成為項目“主戰(zhàn)場”，更將成為團隊內外專家學者進行開拓性研究，促進激光加速器與能源、空間、生物以及材料等學科交叉融合的研發(fā)中心，也為國家“十四五”激光大科學裝置研發(fā)奠定必要的技術基礎。
五個課題關系示意圖
激光加速創(chuàng)新中心位于懷柔科學城核心區(qū)
定心十一年，以定力推進科技創(chuàng)新
“本項目作為科技部重大創(chuàng)新舉措，是第一個執(zhí)行十一年的項目，充分體現了國家對于科技創(chuàng)新的決心和毅力?！鳖亴W慶教授深有感觸地說。
從2019年12月立項到2030年11月完成，項目全周期分為三個研發(fā)階段，將鑄造“建成束流穩(wěn)定可靠的重頻百兆電子伏激光質子放療原理樣機”“建成基于激光加速器質子放療工程樣機”“構建激光加速大科學裝置”“激光系統(tǒng)關鍵器件實現國產化”“完成產品定型”“通過 CFDA 認證”等一座座“里程碑”，實現技術成熟度達到9級、激光器核心部件國產化的激光質子放療產品，并形成以企業(yè)為主體的緊密型產業(yè)結構。
項目結束后，激光質子放療系統(tǒng)的產品性能可媲美現有傳統(tǒng)質子治療系統(tǒng)水平，而在降低體積，造價和運行維護費用等方面具有巨大的潛力?！皩脮r，市一級三甲醫(yī)院無需大規(guī)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顯著降低，能造福更廣大的癌癥患者?！?/p>
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