赵家瑞：让激光跑出加速度

工作中的赵家瑞（右）

北京激光加速中心外景供图/怀柔科学城

正在加速建设国际科技创新中心的北京，有一批青年科研人员正在为科技自强默默奉献着。

1988年出生的赵家瑞，是北京激光加速创新中心的青年骨干。他所就职的北京激光加速创新中心，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术治疗癌症。这项技术是我国激光质子加速领域从科研走进应用的首次尝试。

“让我们国家在高水平科技领域实现更多‘0到1’的突破，是所有科研人员的目标和愿望。”赵家瑞自豪地向北京青年报记者介绍了北京激光加速创新中心的新成果：完成了激光加速器各项设备的整体联通，首次实现激光从加速到传输的全部功能，这标志着世界上第一台激光质子癌症治疗装置——飞秒激光“质子刀”的核心部件基本建成。未来将在激光质子加速后，通过束线控制精准“打击”肿瘤细胞，实现高效杀死肿瘤细胞的目标。

这些突破的背后，是科研团队六年如一日的钻研。作为核心成员，赵家瑞见证和参与了让激光跑出“加速度”的过程。

一次深谈加入团队投身科研应用领域

2月中旬，位于怀柔科学城的北京激光加速创新中心内一片忙碌的场景。赵家瑞春节后几乎天天在实验室里进行科研攻关，这样的工作节奏就是团队的日常。

走进赵家瑞每天工作的拍瓦激光质子加速靶场，一排排银色的真空腔体映入眼帘。真空腔体内，多个直径1米左右的反光镜按不同角度摆放着。赵家瑞介绍，这个真空腔体的内部就是实现激光质子加速的地方，在这里可以把大口径激光束聚焦到一个小点上，并经过与靶材相互作用后产生瞬态极强电场，进而实现质子加速。“类似于用凸透镜聚焦光线点燃火柴的原理，让1万亿个光子，在同一时间整齐地聚集到比头发丝还小100倍的点上。这一环对整个实验至关重要。”

“从首次打靶成功时的30TW激光功率，到如今靶场可以在500TW下运行。虽与在激光器满功率2PW（1PW=1000TW）运行下开展打靶实验相比还有差距，但就像在开一台速度上限为200公里/小时的汽车，我们这些新手一开始要在低速下跑，跑熟了才敢开快。”对于目前的实验进展，赵家瑞的言语里充满了自信。

谈起如何与项目结缘？他开玩笑道：“一次深谈便决定加入。”8年前，赵家瑞还是一名即将从中国科学院物理研究所毕业的博士生。在毕业答辩时，他碰到了后来科研方向的领路人——北京大学物理学院教授颜学庆。“很早前就对颜教授有所了解。早在2015年，颜教授就带领团队在北京大学建成国际上首台1%～5%能散、能量和电量可调的激光质子加速器与辐照装置。可实现1%的质子能散输出且束流非常的稳定，这与我的研究方面很契合。”

之后，颜学庆与赵家瑞便有了一次决定加入团队的深度探讨。探讨中，颜学庆教授向他坦诚提出，希望其能够在做激光质子加速方向理论研究的同时，再进一步，将理论推动到实际应用。“将激光加速质子应用于治疗癌症，将科研成果付诸实践，是件非常有意义的事情。”抱着对科研创新的一腔热忱，赵家瑞加入北京大学，并作为青年骨干，在“拍瓦激光质子加速系统”负责人马文君教授指导下，开始了科研工作。北京激光加速创新中心是北大深度参与怀柔科学城建设并承建的科研平台，赵家瑞就此和怀柔结缘。

设计方案迭代几十版“门外汉”变身行家

赵家瑞记得很清楚，2019年11月，“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”专项正式在科技部立项。看着当时还很荒凉的北京激光加速创新中心地基施工现场，他觉得锻炼的机会来了，“这对于年轻人来说，是成长的机遇，可以打开思路，不停地给自己加技能点。”赵家瑞怀揣着满满的激情，投入北京激光加速创新中心的核心环节——“靶场”设计和建设中。

赵家瑞跟着马教授走访多地，深入调研国内及世界上先进激光装置的靶场与腔体的设计方案，仔细钻研每个细节，以工程化的思维来做设计。“靶场”建设是在北大技物楼的原有样机基础上，建设一个大10倍的装置。但这不仅是简单的放大，还需要应对指标提升所带来的技术难题。以真空腔体内的大口径聚焦镜为例，在接近米级的尺寸下，镜面平整度需要控制在纳米量级，并且要有高反射率和高损伤阈值，否则就有被“打坏”的风险。几年时间里，仅真空腔体和光路部分的设计方案，就迭代了几十版，数千页的论证材料摞起来有好几米高。

不仅要设计和论证，还要负责联系关键部件的研制。“要保证镜面有超过99.5%以上的高反射功率，损伤阈值也要达到飞秒拍瓦激光的苛刻要求。”赵家瑞和团队为了找到如此高参数要求的大口径聚焦镜，几乎跑遍了国内所有能做这类光学元件的生产厂家。

“专项的出发点是要做原始创新，设备的国产化率对我们来说意义重大。很多关键部件国内没做过，能以此项目为契机，带动国内周边产业科技水平发展，非常有意义。”正是这样的韧劲，他们生生从“门外汉”变身行家里手，最终探索出一条稳定的生产供应渠道。

新身份是项目经理“靶场”建设跑出中国速度

2023年2月8日，期盼了近4年的北京激光加速创新中心正式落成。这对于赵家瑞和团队的同事来说，真正的战役才刚刚打响。看着还是毛坯的中心，团队就地召开了项目实施推动会、启动会、誓师大会，“我们带着设备、前期的设计图纸，原地开始撸起袖子加油干”。

赵家瑞一头扎进了“靶场”的设备入场工作中。这次要解决的问题是将一个个激光管道拼接完成、让一个个真空腔体成功进驻“实验室”，调试各种功能。

“靶场项目经理”成了赵家瑞的新身份，对于从没接触过工程的他来说，又是一个不小的挑战，每一步都是摸着石头过河。例如，一个体积几十立方米、重达10吨的大型真空腔体，如何平安送入“靶场”列装到位并具备实验功能，就是很大的挑战。这不是简单的“搬家”，实验室的设备对图纸的复原度要求很高，对加工精度要求苛刻。时间紧任务重，要求一次通过，容错率很低。稍有差池就需返厂重做，再等几个月会严重拖延进度。为此，赵家瑞尽量将所有验收工作都提前到工厂去做。当叉车装载着真空腔体进入实验室时，车体左右两边是墙体和柱子，最终以左右1厘米的间隙顺利通过。赵家瑞说，“有惊无险，可以说基本完全复原了图纸”。

入场后，团队一刻不停歇，开始管道拼接，安装真空泵、真空阀，调试设备功能，六个月就完成了实验前所有调试工作，这样的安装、调试时间也跑出了“中国速度”。“美国、欧洲、韩国等一些发达国家的拍瓦激光装置的靶场建设周期都在三年以上”，赵家瑞给团队竖起大拇指。

一周完成“打靶”质子加速迈入新阶段

设备的入场，也给赵家瑞的生活带来很大变化。他开始“常驻”怀柔，“我们办公室每个人都有一张行军床，实验结束得晚，铺开就能睡。”赵家瑞告诉北青报记者，“靶场”建设开始后，大家大多数时间都在办公室住。进入实验测试阶段后，行军床更成为必需品。

“前沿科技一定要做到自立自强，从理论到实验，都要做到由中国人自己完成。”赵家瑞解释，做科研与将科研成果应用于实际有很大不同。实验室的传统科研思维是突破指标即可。比如，质子能量达到可肿瘤治疗的程度就够了，但应用于工程实践就需要质子束流具有很强的稳定性、可靠性。“要想将激光质子加速器实际投入医院使用，必须稳定地产生质子，这就需要花大量时间来设计和论证。其中的技术难点、工艺难点，都需要一步一步着力解决。在马文君老师的领导下，我们研制出了具有国际先进水平的先进纳米靶材和高精度重频打靶系统，可连续稳定产生高能质子。”

2024年7月6日，中心完成了首次激光打靶实验，标志着拍瓦激光质子加速装置的建设迈入了新的阶段。从6月28日激光通到“靶场”，一周内完成“打靶”，这是在全世界都没有的“中国速度”。赵家瑞对此记忆犹新，高效的背后，是团队经常连续十几个小时蹲在1米高的腔体内的辛苦付出。就在“打靶”前一天，“靶点”跑丢、设备故障等突发状况让大伙儿措手不及，“从头一天早晨七八点干到第二天凌晨4点，没合眼，”赵家瑞笑着说，为了更快找到“靶点”，团队里的同事还设计出一套专门的小程序辅助工作，“也算好事多磨，锻炼一下大家的抗压能力”。

科研人才齐聚怀柔交流拓展应用新场景

从北京激光加速创新中心四层向窗外远眺，国家级大科学装置高能同步辐射光源、综合极端条件实验装置尽收眼底。作为“三城一区”的主平台，怀柔科学城2024年进入以“运行为主”的新阶段，今年，“十三五”时期布局的29个设施平台全部试运行。

在顶层设计的加持下，越来越多科研设施、园区开始建设，聚集在怀柔的科研人员已达2.5万人。原始创新，并不意味着要闭门造车，而是要更加主动地在开放合作中，提升自身科技创新能力。科学资源的高度聚集，给以赵家瑞为代表的青年科研人员提供了启发思维、创新交流的机会。“近距离跟诺奖级别的大师交流，是很多青年科研人员一辈子都遇不到的机会，他们报告中的某一句话，都有可能对自己的科研产生深刻影响，交流中也可能获得很多学科交叉融合带来的惊喜。”赵家瑞举例说，他和团队伙伴正在跟其他高校和研究院所合作，进行激光品质诊断设备的研制，并获得了国家重点研发计划项目的支持，这一项目完成后将在激光加工与装备领域有重要应用。“这就是我们在一次学术科研交流会上，双方‘碰撞’的成果。”他说，团队有高功率激光诊断的前期技术积累，对方有应用需求，双方很快开始合作，“我们的技术优势不仅可以用于治疗癌症，还可以用于其他的场景”。

六年来，从无到有地不断探索尝试，让赵家瑞感慨良多，从决定加入团队的那一刻起，就将做科研当成了人生的事业。未来，在实际应用中，激光加速技术在高效杀死肿瘤细胞的同时，比传统的放化疗对正常组织损害更小。此外，激光加速器质子治疗装置具有比传统质子治疗设备体积更小、治疗费用更廉价、更易于普及等潜在优势。

“作为青年科研人员，我们有责任将抢占科技创新制高点作为己任，并不断努力。”赵家瑞说，能够见证我国激光加速器研究实现了从“跟跑”“并跑”向“领跑”的转变，就是自己最大的财富。他相信这把飞秒激光“质子刀”，能够成为造福百姓的新技术。

在赵家瑞的办公室，同事们手写的春联还紧紧地贴在门框上，“激光加速成大器扬帆起航谱新篇”，春联的内容透露着科研的雄心，也是他们对事业的追求。在北京市加速国际科技创新中心的顶层设计下，像赵家瑞一样的青年科学家们，在默默努力奉献着，他们有信心推动实现国家的科技自立自强。文/本报记者武文娟

摄影/本报记者郭谦 统筹/李泽伟