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干。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臺之一，正在探索用激光加速技術治療癌癥。這項技術是我國激光質子加速領域從科研走進應用的首次嘗試。
“讓我們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愿望。”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聯通，首次實現激光從加速到傳輸的全部功能，這標志著世界上第一臺激光質子癌癥治療裝置——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后，通過束線控制精準“打擊”腫瘤細胞，實現高效殺死腫瘤細胞的目標。
這些突破的背后，是科研團隊六年如一日的鉆研。作為核心成員，趙家瑞見證和參與了讓激光跑出“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，位于懷柔科學城的北京激光加速創新中心內一片忙碌的場景。趙家瑞春節后幾乎天天在實驗室里進行科研攻關，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映入眼簾。真空腔體內，多個直徑1米左右的反光鏡按不同角度擺放著。趙家瑞介紹，這個真空腔體的內部就是實現激光質子加速的地方，在這里可以把大口徑激光束聚焦到一個小點上，并經過與靶材相互作用后產生瞬態極強電場，進而實現質子加速。“類似于用凸透鏡聚焦光線點燃火柴的原理，讓1萬億個光子，在同一時間整齊地聚集到比頭發絲還小100倍的點上。這一環對整個實驗至關重要。”
“從首次打靶成功時的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，但就像在開一臺速度上限為200公里/小時的汽車，我們這些新手一開始要在低速下跑，跑熟了才敢開快。”對于目前的實驗進展，趙家瑞的言語里充滿了自信。
談起如何與項目結緣？他開玩笑道：“一次深談便決定加入。”8年前，趙家瑞還是一名即將從中國科學院物理研究所畢業的博士生。在畢業答辯時，他碰到了后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臺1%～5%能散、能量和電量可調的激光質子加速器與輻照裝置。可實現1%的質子能散輸出且束流非常的穩定，這與我的研究方面很契合。”
之后，顏學慶與趙家瑞便有了一次決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于治療癌癥，將科研成果付諸實踐，是件非常有意義的事情。”抱著對科研創新的一腔熱忱，趙家瑞加入北京大學，并作為青年骨干，在“拍瓦激光質子加速系統”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懷柔科學城建設并承建的科研平臺，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應用示范”專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，他覺得鍛煉的機會來了，“這對于年輕人來說，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，深入調研國內及世界上先進激光裝置的靶場與腔體的設計方案，仔細鉆研每個細節，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，建設一個大10倍的裝置。但這不僅是簡單的放大，還需要應對指標提升所帶來的技術難題。以真空腔體內的大口徑聚焦鏡為例，在接近米級的尺寸下，鏡面平整度需要控制在納米量級，并且要有高反射率和高損傷閾值，否則就有被“打壞”的風險。幾年時間里，僅真空腔體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。
不僅要設計和論證，還要負責聯系關鍵部件的研制。“要保證鏡面有超過99.5%以上的高反射功率，損傷閾值也要達到飛秒拍瓦激光的苛刻要求。”趙家瑞和團隊為了找到如此高參數要求的大口徑聚焦鏡，幾乎跑遍了國內所有能做這類光學元件的生產廠家。
“專項的出發點是要做原始創新，設備的國產化率對我們來說意義重大。很多關鍵部件國內沒做過，能以此項目為契機，帶動國內周邊產業科技水平發展，非常有意義。”正是這樣的韌勁，他們生生從“門外漢”變身行家里手，最終探索出一條穩定的生產供應渠道。
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。這對于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、啟動會、誓師大會，“我們帶著設備、前期的設計圖紙，原地開始擼起袖子加油干”。
趙家瑞一頭扎進了“靶場”的設備入場工作中。這次要解決的問題是將一個個激光管道拼接完成、讓一個個真空腔體成功進駐“實驗室”，調試各種功能。
“靶場項目經理”成了趙家瑞的新身份，對于從沒接觸過工程的他來說，又是一個不小的挑戰，每一步都是摸著石頭過河。例如，一個體積幾十立方米、重達10噸的大型真空腔體，如何平安送入“靶場”列裝到位并具備實驗功能，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復原度要求很高，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，再等幾個月會嚴重拖延進度。為此，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進入實驗室時，車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。趙家瑞說，“有驚無險，可以說基本完全復原了圖紙”。
入場后，團隊一刻不停歇，開始管道拼接，安裝真空泵、真空閥，調試設備功能，六個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，“我們辦公室每個人都有一張行軍床，實驗結束得晚，鋪開就能睡。”趙家瑞告訴北青報記者，“靶場”建設開始后，大家大多數時間都在辦公室住。進入實驗測試階段后，行軍床更成為必需品。
“前沿科技一定要做到自立自強，從理論到實驗，都要做到由中國人自己完成。”趙家瑞解釋，做科研與將科研成果應用于實際有很大不同。實驗室的傳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，但應用于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。在馬文君老師的領導下，我們研制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系統，可連續穩定產生高能質子。”
2024年7月6日，中心完成了首次激光打靶實驗，標志著拍瓦激光質子加速裝置的建設邁入了新的階段。從6月28日激光通到“靶場”，一周內完成“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，高效的背后，是團隊經常連續十幾個小時蹲在1米高的腔體內的辛苦付出。就在“打靶”前一天，“靶點”跑丟、設備故障等突發狀況讓大伙兒措手不及，“從頭一天早晨七八點干到第二天凌晨4點，沒合眼，”趙家瑞笑著說，為了更快找到“靶點”，團隊里的同事還設計出一套專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“三城一區”的主平臺，懷柔科學城2024年進入以“運行為主”的新階段，今年，“十三五”時期布局的29個設施平臺全部試運行。
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2.5萬人。原始創新，并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，給以趙家瑞為代表的青年科研人員提供了啟發思維、創新交流的機會。“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，他們報告中的某一句話，都有可能對自己的科研產生深刻影響，交流中也可能獲得很多學科交叉融合帶來的驚喜。”趙家瑞舉例說，他和團隊伙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制，并獲得了國家重點研發計劃項目的支持，這一項目完成后將在激光加工與裝備領域有重要應用。“這就是我們在一次學術科研交流會上，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，“我們的技術優勢不僅可以用于治療癌癥，還可以用于其他的場景”。
六年來，從無到有地不斷探索嘗試，讓趙家瑞感慨良多，從決定加入團隊的那一刻起，就將做科研當成了人生的事業。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統質子治療設備體積更小、治療費用更廉價、更易于普及等潛在優勢。
“作為青年科研人員，我們有責任將搶占科技創新制高點作為己任，并不斷努力。”趙家瑞說，能夠見證我國激光加速器研究實現了從“跟跑”“并跑”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”，能夠成為造福百姓的新技術。
在趙家瑞的辦公室，同事們手寫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”，春聯的內容透露著科研的雄心，也是他們對事業的追求。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，在默默努力奉獻著，他們有信心推動實現國家的科技自立自強。
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