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      2. 顏學慶:從“0”到“1”的探索者

        從2006年萌生穩相光壓加速的想法,到2008年在《物理評論快報》上發表論文正式提出激光穩相光壓加速的原理;從2017年帶領團隊建成世界上首臺超小型激光加速器輻照裝置,到2018年在北大校慶前夕向習近平總書記介紹1:10比例的激光加速器原型裝置的原理和應用領域;從2019年底率領團隊開啟為期十一年的國家重點研發計劃“重大科學儀器設備開發”重點專項——“拍瓦激光質子加速器裝置研究與應用示范”項目,到2020年參與北大和廣州市白云區合作建設廣東省激光等離子體技術研究院的一系列工作,在北大度過21載光陰的北大物理學院副院長、重離子所所長顏學慶教授的“燕園記憶”里,有很多從“0”到“1”的創新突破和難忘瞬間。

        在北京初冬的一個清晨,《北京大學校報》記者在北大激光等離子體實驗室專訪了“2020年度何梁何利基金科學與技術進步獎”獲得者顏學慶。

        顏學慶向科學技術部黨組書記、部長王志剛和隨行領導介紹團隊研究的超小型激光等離子體加速器癌癥治療系統

        開創激光穩相加速方法

        1998年,即將在清華大學工程物理專業本科畢業的顏學慶來到北大做畢業設計。這次經歷讓他發現,“在北大有充分的思考空間,有創新的土壤可以做點新東西”。恰逢陳佳洱院士、方家馴教授招收碩博連讀的學生,1999年,顏學慶進入北大攻讀加速器物理專業的博士學位,開始了他在激光離子加速方面的求索之旅。

        “陳佳洱院士是我的博士生導師,方家馴教授是我的碩士生導師。他們一直鼓勵我在加速器領域探索新的原理和方法,先做起來?!鳖亴W慶開始逐步摸索改進離子加速效率的途徑?!霸诒贝蟮暮锰幘褪菦]人會限制你,科學精神和自由探索精神無處不在?!?/p>

        2004年,顏學慶在北大博士畢業留校任教。這一時期,美歐等國的科學家開始提出用強激光做離子加速的想法,但在原理上尚無突破。時光走過兩年,2006年,已經在這方面廣泛閱讀了大量文獻的顏學慶借鑒風帆的原理率先提出穩相光壓加速的物理方法。但是當顏學慶在國際會議上提出這個想法后,質疑紛至沓來?!按蠹叶加X得這個‘帆’做不出來?!标惣讯菏繋е亴W慶來到中科院上海光學精密機械研究所,徐至展院士對顏學慶的這個創新想法非常贊賞,這更堅定了顏學慶的信念?!坝掠诳範?,不怕輸,更不會服,是我們的民族精神!”2008年,顏學慶在《物理評論快報》上發表相關學術論文提出激光穩相光壓加速的原理,指出穩相加速方法可以產生納庫級自聚焦GeV準單能的質子束,并有望通過多階段加速得到萬億電子伏特量級的質子束,研究對于離子癌癥治療、激光核聚變快點火和新概念加速器等研究頗具意義,系列文章最高單篇引用率接近400余次。在北大這片鼓勵創新的沃土中,在擁有濃厚自由探索精神的氛圍里,顏學慶實現了從“0”到“1”的突破。

        加速器要成器

        論文發表了,顏學慶并沒有止步于此?!瓣惣讯蠋熀唾R賢土老師都對我說想法很好,能不能在北大做相關的實驗?!眱晌辉菏坷蠋煆娏χС诸亴W慶申請在北大建立激光實驗室。建立實驗室的過程并非坦途,其間也遭遇挫折,怎么辦?陳佳洱院士說:“加速和加速器只差一個字,但是不成器不行?!倍鲙煹倪@番話對顏學慶影響至深,從此他開始致力于從“加速”到“加速器”的研究,以堅強的意志力,用十年磨一劍的精神,踏踏實實沿著“加速器要成器”的道路往前走,追求更多的突破。他與張杰院士、北大客座教授盛政明教授進行深入的討論和交流,發現超短超強激光與固體靶相互作用時存在穩相加速機制,如果激光歸一化光強強度a與靶的面密度相當時,激光可以如常規加速器一樣對離子進行加速和縱向聚束,從而可以產生高品質的高能單色離子。這對激光離子加速器的“成器”影響重大。

        帶著“加速器要成器”的目標,2008年,顏學慶申請前往德國馬普學會量子光學研究所做訪問研究。在德國,顏學慶和馬普學會量子光學研究所Habs教授、正在馬普學會量子光學研究所做客座教授的激光尾波場加速理論的提出者Tajima教授三人一見如故,二人對顏學慶的“風帆論”頗感興趣,一到周末三人小組就開啟“討論模式”,“我們在一起證實了激光穩相加速的原理,寫了10篇文章,那一年多的時間非?!弋a’,我們三人成了非常好的朋友,并加入了2018年諾貝爾獎獲得者Mourou教授倡議發起成立的‘世界超強激光科學中心’?!盚abs和Tajima經?!翱简灐鳖亴W慶,做實驗的時候只告訴他參數,讓他預測結果。顏學慶的理論預測結果每次都和實驗結果高度吻合,這讓二人大為佩服?;厥棕擉诺聡臅r光,顏學慶感慨,“那段時間真正接觸了激光加速理論的源頭,并針對激光加速速度上不去、效率低的物理瓶頸,對激光穩相加速原理進行了實驗驗證,將研究方向向前推進了重要一步,并和國際上的頂尖團隊建立了合作?!?/p>

        在德國兩年的時光飛速而過,2010年,陳佳洱院士赴意大利開會,在慕尼黑轉機期間特別和顏學慶會面談心:“你現在應該趕緊回國,申請項目獲取支持,在中國完成‘加速器要成器’的目標?!?011年北大科研部訪問慕尼黑馬普量子光學所,帶隊的周輝部長建議盡快回國申請“杰青”項目。這一年冬天,顏學慶回到燕園,在北大科研部門的支持下順利申請到‘杰青’基金資助,“杰青基金200萬元,加上陳佳洱院士拿到的一筆200萬元重點項目經費,總共400萬元起家?!鳖亴W慶在陳佳洱院士在北大做回旋加速器的一個庫房開始建設激光加速器實驗室。兩年之后,2012年,陳佳洱院士、顏學慶教授領銜的“超小型激光離子加速器及其關鍵技術研發”項目獲得國家重大科學儀器設備開發專項立項。從此,在恩師陳佳洱院士和北京大學的鼎力支持下,持之以恒帶領團隊開展高梯度激光離子加速器的研制,“高對比度高功率飛秒激光”“激光等離子體透鏡”“納米自支撐靶材”和“激光驅動超高流強離子束傳輸”等核心技術被一一突破。2017年,顏學慶團隊在北大建成國際上首臺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。團隊成功開展了聚變磁場診斷和粒子注入與輻照等探索,激光離子加速器也逐步應用于西南物理研究院和新奧集團磁約束聚變裝置研究,激光加速器此時初步“成器”。

        顏學慶在北大激光等離子體實驗室

        在最接近需求的地方從事科研

        2018年,北大120周年校慶前夕,習近平總書記在北大考察時駐足于顏學慶團隊研發的激光加速器原型裝置前,顏學慶向總書記匯報:“從樣機的建造到不斷完善,并建成第一臺激光質子加速器,整個過程都是我們中國人自己完成的?!眱赡昵暗哪莻€難忘瞬間,顏學慶至今記憶猶新:“當時跟總書記匯報時我們表示要盡快推進科研成果的落地轉化,建成能用的裝置,服務于人民生命健康和國家需求?!彼钣懈杏|地說,科研工作者的使命,就是“在最接近國家重大需求和人民生命健康需要的地方從事科學研究”。

        2019年12月,國家重點研發計劃“重大科學儀器設備開發”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。項目由北大牽頭承擔,實施周期為2019年12月至2030年11月,跨度長達11年。項目完成后,激光質子放療系統的運行費用將大為降低,更多腫瘤患者將因此受益。作為項目負責人,顏學慶說,“實現研制開發出穩定可靠的激光質子放射治療系統的目標,還有很多物理技術的瓶頸需要一點點地去克服,還有很多工程的問題等著我們去突破。作為北大科研工作者,我們不僅要在原創上有想法,更要堅持‘四個面向’,致力于科技成果向現實生產力的轉化,為國家相關產業鏈做貢獻,真正打通產學研相結合的最后一公里?!睘榇?,顏學慶積極促成項目落地于北京懷柔科學城的激光加速創新中心?!皯讶峥茖W城的激光加速創新中心將成為重要的科研平臺,起到示范作用,更重要的是為國家‘十四五’激光大科學裝置研發奠定堅實的技術基礎?!闭驗檫@一重要作用,當2019年底激光加速創新中心啟動之際,顏學慶感慨萬端,在微信朋友圈發文致謝各方支持:“懷柔科學城北京激光加速創新中心經過兩年多的論證,無數次匯報和方案調整,在2019年底終于可以啟動。在此衷心感謝所有給予幫助和支持的領導們、專家們、同行們、朋友們、科學城公司和參加項目的團隊成員們?。?!”

        “四個面向”中,面向世界科技前沿、面向國家重大需求、面向人民生命健康,是顏學慶近十多年來始終積極探索的目標和方向,但是如何面向經濟主戰場,對他來說還是個全新的命題?!翱蒲谐晒绾萎a業化?”“如何運用產業化成果反哺科研?”這是顏學慶始終在思考的問題。2020年9月,北京大學與廣州市白云區簽署合作協議,共同支持廣東省激光等離子體技術研究院的建設?!拔覀兒枚鄬@夹g看似沒有用,但到了廣州這樣的產業前沿發現遍地有用,在這里可以讓相關技術繼續孵化,集聚成當地的激光產業生態,整合出一條激光等離子體產業鏈,提升整個產業鏈水平,從而真正打通產學研結合的最后一公里?!鳖亴W慶的想法很明確。

        在燕園走過21載創新求索之路,顏學慶對北大打造自主創新新高地有著自己強烈的期許:“北大做強創新引擎離不開科學的評價體系和評估機制。持續創新需要深化科技創新體制改革的支撐?!▽W術’‘唯貢獻’的人才和學術評價體系將進一步激發北大科研工作者的創新潛能,我對此滿懷期待!”

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