十余载埋首为“加速”

首个国产激光质子加速器项目

怀柔科学城激光加速创新中心项目占地面积近30000平方米，共分为三个区域，A区为普通实验室，B区主要为激光实验室，C区放置提供氮气、真空等实验条件的设施。项目拟建设世界技术最先进、功能最完整的激光加速技术及应用研发平台，包括激光质子加速应用研究平台、工艺支撑平台、激光质子放疗系统研发平台等6个平台，以及实验室专用机房、普通实验室机房、实验室配套设施、研发用房等配套设施，并购买和安装相关实验设备。

激光加速器实验室概况

由于项目对建筑结构有防辐射、减震等特殊要求，基础结构中存在筏板厚度2米，局部3米的超厚大体积混凝土工程，最大一次性浇筑方量为2708m³，因此建筑基础结构的混凝土浇筑尤为关键。工程筏板采用“跳仓法”施工，并严格控制混凝土配比、浇筑过程等变量，保证了工程质量符合实验室需求。

“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目针对肿瘤治疗需求，突破拍瓦级激光器、高对比度和高光强激光品质控制、拍瓦级激光器高重频自动化打靶、先进纳米靶材高品质大批量制备、百兆电子伏量级高能质子产生、超高流强消色散质子束传输、大能散质子束能谱剪裁、激光质子束治疗头、面向激光质子束的放疗计划系统等一系列关键技术，开发具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的激光质子放疗系统，并开发相关软件和数据库，实现质子放射肿瘤治疗。

早在十多年前，北大科研团队就开始在激光加速器领域的不懈求索。2008年，颜学庆团队提出了激光稳相光压方法加速离子的原理。2010年，颜学庆从德国马普量子光学所访学归来，深感中国的医疗、生物等领域亟需激光加速器的助力，于是着手筹备建立激光加速器实验室。

百兆电子伏激光质子加速器样机

2012年，陈佳洱院士、颜学庆教授领衔的项目“超小型激光离子加速器及其关键技术研发”获得国家重大科学仪器设备开发专项立项。颜学庆教授领导的团队基于原创的激光稳相光压加速新方法，以具有自主知识产权的超小型激光离子加速器设备研发为突破口, 在2012至2017五年间开展了高梯度激光离子加速器的研制工作，在攻克“高对比度高功率飞秒激光”“自支撑纳米薄膜靶”“激光等离子体透镜”“激光驱动超高流强离子束传输”等一系列关键技术后，建成国际首台1%～5%能散、能量（3～15 MeV）和电量（<2～30 pC/束团）可调的激光质子加速器与辐照装置。

鉴于证实了激光加速器可以实现束流单能性、稳定性和可控性，实现了从激光加速到激光质子加速器的关键性跨越，该项工作被授予2019年世界加速器物理大会Hogil Kim加速器奖。同时，这一项目也受到国家领导人的重视。2018年北大120周年校庆前夕，习总书记到北大考察时，颜学庆向其汇报了激光加速器的研发和建设过程，并自豪地说：“从样机的建造到不断完善，并建成第一台真正的激光质子加速器，整个过程都是我们中国人自己完成的。”

2018年5月，颜学庆教授在“北京大学理工医科5年成就展”上，展示了世界上首台质子能量可调1%能散激光加速器装置。2019年12月，重点专项“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目正式批复。2020年6月，项目启动会召开，2021年5月，北京激光加速创新中心项目主体结构封顶；7月，项目主体结构完工，完成总工程量50%；计划2022年6月竣工验收。

相比大型传统质子加速器

激光加速器有哪些独特优势？

自世界上建造第一台加速器以来，人类对微观物质世界的认识逐步深入，基础物理研究取得了巨大的成就。加速器利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，是人们对物质深层结构进行研究的重要工具。

加速器设备一般受到规模大、投资多和运行成本高昂制约，通常只存在于少数几个大型国家实验室。经费、空间和场地的限制和有限的束流时间难以满足肿瘤治疗和高亮度X光源（如四代自由电子激光）等众多的应用需要。

首台激光驱动百MeV质子放疗装置效果图

激光加速器的电场梯度比常规射频加速器高三个量级以上，可以让加速器的尺寸缩小千倍，让应用加速器变成“台面大小”，不再“昂贵”、“庞大”，可以落户中小型实验室和研究所。北京大学激光加速器实验室国际上首次提出激光稳相加速新原理和临界密度等离子体透镜新方法，首次开展和证实稳相加速实验，两次打破了飞秒激光驱动碳离子的能量记录，有望推动新型加速器走向应用。

实验室将进一步致力于开展激光等离子体相互作用过程中的加速和辐射问题研究，从理论上探索产生TeV～PeV高能粒子的可行性，同时在未来几年内建造新型超小型台面激光粒子加速器和开展癌症治疗、等离子体诊断和离子快点火聚变等应用研究。

北京大学已建成CLAPA激光加速器系统

北京激光加速创新中心围绕激光驱动高能带电离子束的产生及其在聚变能源、空间辐射模拟、生物辐照和超快离子束应用等方面展开研究，促进激光加速器与能源、生物以及材料等学科的交叉融合，为辐射医学、前沿物理、先进材料等领域重要科学问题的研究提供条件。

项目负责人、北京大学物理学院副院长、核物理与核技术国家重点实验室副主任颜学庆教授介绍：“激光加速器利用超高峰值功率的脉冲激光与靶材相互作用产生的瞬态高强度静电场加速质子，仅需数百微米就可将质子加速到百兆电子伏量级，产生的质子束具有宽能谱、脉冲短（皮秒量级）、源尺寸小（微米）及能量转换效率高等特点。利用高磁场梯度的超小型脉冲磁铁对靶后质子流进行收集与控制，可获得与传统加速器品质相当的单能或宽谱质子束流。”

相比大型的传统质子加速器，激光加速器有哪些独特优势？颜学庆说：“激光加速器在设备需求空间、安装难度、运行和维护成本、辐射防护难度、系统复杂程度等方面有独特优势。基于激光加速器的激光质子放疗系统一旦研制成功，将可以安装在各大医院现场，能够大幅降低癌症患者的治疗费用，推动质子放疗在我国的普及。”

与传统放疗相比，质子放疗至少有四个方面的优势：提高肿瘤照射水平、提高局部控制率、减少并发症，以及加强化疗的效果。所有适合放疗的肿瘤患者都是质子治疗的适应人群。尤其对于早期肿瘤患者，质子治疗的五年生存率达到80%以上。

由于儿童对放射线敏感性的高于成人，传统的放射治疗会造成儿童肝脏、肾脏、脊髓、卵巢或睾丸等重要器官的放射性损伤。质子治疗可以通过精确“定向定点爆破”技术，使重要器官和组织免受损伤，从而解决了儿童患者放射治疗中的难题。对于有重要器官包绕的肿瘤来说，质子治疗也显示了极大的优越性。质子放射治疗在未来20-30年内有可能会成为肿瘤放射治疗的主流手段。

质子射线与x光射线在人体中能量衰变曲线对比

目前质子放疗设备主要采用的加速器是传统的射频加速器（包括同步加速器与回旋加速器）。据国际粒子治疗合作组织(PTCOG)的统计数据显示，截至2016年7月26日，全球运营中的质子重离子治疗中心数量为64家，主要分布于美国、欧洲和日本等发达国家及地区；全世界每年有上万人接受质子治疗。

离子束治癌的先驱性研究起源于美国的劳伦斯伯克利实验室(LBNL)，1946年，首先由wilson提出将质子束应用于医学。20世纪80年代以来，由于X射线断层照相CT和核磁共振成像MRI等技术在科技先进国家中逐渐普及，质子治癌取得较大发展。

1992年，美国Loma-Linda大学启用了医学专用质子装置，开创了质子放疗技术的新纪元，正式宣告质子放疗进入了医学领域，确定其在应用中的地位。1985 年成立了国际性的质子治疗合作组(PTCOG)，进行世界范围内的质子课题合作研究。

根据PTCOG 2017年底的统计，全球的质子治疗中心截止到17年底共有66个正常运行，其中美国有27个，欧洲有16个，日本有13个，俄罗斯有3个，中国有2个，韩国2个，加拿大和南非各有1个，共有174512例肿瘤患者做过粒子治疗，其中质子治疗肿瘤患者 149345例，占总治疗人数的85.58%，碳粒子治疗肿瘤患者21580例，占总治疗人数的12.37%，质子治疗的疗效被广泛认可和充分肯定。

全球主导质子治疗系统设备提供商

据不完全统计，我国目前各大城市报批的质子治疗中心申请项目有70多项，国家卫健委对其持谨慎态度，很大一部分原因是目前国内商品化的质子治疗系统还没有研制成功，基本所有的设备都需要从国外企业进口，70多个项目一旦批复，相当于会有上百亿美金流向海外，进一步推动海外企业技术升级，巩固他们的产业领先地位。

因此，从国家战略层面上，我国目前急需自主研制国产化质子治疗设备。虽然我国质子治疗设备的自主研发工作已在开展中，但目前与国际水平差距仍非常大，短时间内无法撼动国外质子治疗设备的垄断地位。

在医疗器械领域，国外厂商利用先发技术优势，通过快速迭代产品、降低成本、提升用户体验等方法压缩国产设备市场份额的例子屡见不鲜。以直线加速器X射线放疗设备为例，我国已发展了40多年，但该类型的产品依然主要依靠进口。10MV高能直线加速器国内产品稳定度很低，几乎没有市场，6MV低能直线加速器也在产品各项性能上与国外同类产品有较大差距，Varian、Elekta等公司的产品售价2000多万元，却占据90%以上市场，国产设备售价500万元反而没有市场，即国产设备并没有给进口设备带来任何的市场冲击。

首台国产质子治疗装置

从这个角度来看，国外已处于绝对领先水平的先进技术设备，国内如果沿相同技术路线追赶，是一个非常漫长的过程，甚至有可能差距越拉越大。

激光加速器有作为新一代质子放疗系统的加速器的可能性。相比于大型的传统质子加速器，激光加速器有望未来在设备需求空间、安装难度、运行和维护成本、辐射防护难度、系统复杂程度等方面有优势。可以预期，基于激光加速器的激光质子放疗系统一旦研制成功，我国将有很大机会占领激光质子放疗设备的产业制高点，在大型医疗设备领域一举改变长期以来“国外领跑，国内跟跑”的模式，实现“弯道超车”。因此，尽快开展激光质子治疗系统的研制具有非常重大的产业意义。