燕园学人

颜学庆:从“0”到“1”的探索者

    期次:第1562期    作者:校报记者  陈振云

从2006年萌生稳相光压加速的想法,到2008年在《物理评论快报》上发表论文正式提出激光稳相光压加速的原理;从2017年带领团队建成世界上首台超小型激光加速器辐照装置,到2018年在北大校庆前夕向习近平总书记介绍1:10比例的激光加速器原型装置的原理和应用领域;从2019年底率领团队开启为期十一年的国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”重点专项——“拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范项目”,到2020年参与北大和广州市白云区合作建设广东省激光等离子体技术研究院的一系列工作,在北大度过21载光阴的北大物理学院副院长、重离子所所长颜学庆教授的“燕园记忆”里,有很多从“0”到“1”的创新突破和难忘瞬间。在北京初冬的一个清晨,本报记者在北大激光等离子体实验室专访了“2020年度何梁何利基金科学与技术进步奖”获得者颜学庆教授。

开创激光稳相加速方法

1998年,即将在清华大学工程物理专业本科毕业的颜学庆来到北大做毕业设计。这次经历让他发现,“在北大有充分的思考空间,有创新的土壤可以做点新东西。”恰逢陈佳洱院士、方家驯教授招收硕博连读的学生,1999年,颜学庆进入北大攻读加速器物理专业的博士学位,开始了他在激光离子加速方面的求索之旅。

“陈佳洱院士是我的博士生导师,方家驯教授是我的硕士生导师。他们一直鼓励我在加速器领域探索新的原理和方法,先做起来。”颜学庆开始逐步摸索改进离子加速效率的途径。“在北大的好处就是没人会限制你,科学精神和自由探索精神无处不在。”

2004年,颜学庆在北大博士毕业留校任教。这一时期,美欧等国的科学家开始提出用强激光做离子加速的想法,但在原理上尚无突破。2006年,已经在这方面广泛阅读了大量文献的颜学庆借鉴风帆的原理率先提出稳相光压加速的物理方法。但是当颜学庆在国际会议上提出这个想法后,质疑纷至沓来。“大家都觉得这个‘帆’做不出来。”陈佳洱院士带着颜学庆来到中科院上海光学精密机械研究所,徐至展院士对颜学庆的这个创新想法非常赞赏,这更坚定了颜学庆的信念。“勇于抗争,不怕输,更不会服,是我们的民族精神!”2008年,颜学庆在《物理评论快报》上发表相关学术论文提出激光稳相光压加速的原理,指出稳相加速方法可以产生纳库级自聚焦GeV准单能的质子束,并有望通过多阶段加速得到万亿电子伏特量级的质子束,研究对于离子癌症治疗、激光核聚变快点火和新概念加速器等研究颇具意义,系列文章最高单篇引用率接近400余次。在北大这片鼓励创新的沃土中,在拥有浓厚自由探索精神的氛围里,颜学庆实现了从“0”到“1”的突破。

加速器要成“器”

论文发表了,颜学庆并没有止步于此。“陈佳洱老师和贺贤土老师都对我说想法很好,能不能在北大做相关的实验。”两位院士老师强力支持颜学庆申请在北大建立激光实验室。建立实验室的过程并非坦途,其间也遭遇挫折,怎么办?陈佳洱院士说:“加速和加速器只差一个字,但是不成‘器’不行。”恩师的这番话对颜学庆影响至深,从此他开始致力于从“加速”到“加速器”的研究,以坚强的意志力,用十年磨一剑的精神,踏踏实实沿着“加速器要成器”的道路往前走,追求更多的突破。他与张杰院士、北大客座教授盛政明教授进行深入的讨论和交流,发现超短超强激光与固体靶相互作用时存在稳相加速机制,如果激光归一化光强强度a与靶的面密度相当时,激光可以如常规加速器一样对离子进行加速和纵向聚束,从而可以产生高品质的高能单色离子。这对激光离子加速器的“成器”影响重大。

带着“加速器要成器”的目标,2008年,颜学庆申请前往德国马普学会量子光学研究所做访问研究。在德国,颜学庆和马普学会量子光学研究所哈布斯(Habs)教授、正在马普学会量子光学研究所做客座教授的激光尾波场加速理论的提出者田岛(Tajima)教授三人一见如故,二人对颜学庆的“风帆论”颇感兴趣,一到周末三人小组就开启“讨论模式”,“我们在一起证实了激光稳相加速的原理,写了10篇文章,那一年多的时间非常‘高产’,我们三人成了非常好的朋友,并加入了2018年诺贝尔奖获得者莫罗(Mourou)教授倡议发起成立的‘世界超强激光科学中心’。”哈布斯和田岛经常“考验”颜学庆,做实验的时候只告诉他参数,让他预测结果。颜学庆的理论预测结果每次都和实验结果高度吻合,这让二人大为佩服。回首负笈德国的时光,颜学庆感慨,“那段时间真正接触了激光加速理论的源头,并针对激光加速速度上不去、效率低的物理瓶颈,对激光稳相加速原理进行了实验验证,将研究方向向前推进了重要一步,并和国际上的顶尖团队建立了合作。”

2010年,陈佳洱院士赴意大利开会,在慕尼黑转机期间特别和颜学庆会面谈心:“你现在应该赶紧回国,申请项目获取支持,在中国完成‘加速器要成器’的目标。”2011年北大科研部访问慕尼黑马普量子光学所,带队的科研部部长周辉建议尽快回国申请“杰青”项目。这一年冬天,颜学庆回到燕园,在北大科研部门的支持下顺利申请到“杰青”基金资助,“杰青基金200万元,加上陈佳洱院士拿到的一笔200万元重点项目经费,总共400万元起家。”颜学庆在陈佳洱院士在北大做回旋加速器的一个库房开始建设激光加速器实验室。2012年,陈佳洱院士、颜学庆教授领衔的“超小型激光离子加速器及其关键技术研发”项目获得国家重大科学仪器设备开发专项立项。从此,在恩师陈佳洱院士和北京大学的鼎力支持下,颜学庆持之以恒带领团队开展高梯度激光离子加速器的研制,“高对比度高功率飞秒激光”“激光等离子体透镜”“纳米自支撑靶材”和“激光驱动超高流强离子束传输”等核心技术被一一突破。2017年,颜学庆团队在北大建成国际上首台1%~5%能散、能量(3~15MeV)和电量(<2~30pC/束团)可调的激光质子加速器与辐照装置。团队成功开展了聚变磁场诊断和粒子注入与辐照等探索,激光离子加速器也逐步应用于西南物理研究院和新奥集团磁约束聚变装置研究,激光加速器此时初步“成器”。

在最接近需求的地方从事科研

2018年,北大120周年校庆前夕,习近平总书记在北大考察时驻足于颜学庆团队研发的激光加速器原型装置前,颜学庆向总书记汇报:“从样机的建造到不断完善,并建成第一台激光质子加速器,整个过程都是我们中国人自己完成的。”两年前的那个难忘瞬间,颜学庆至今记忆犹新:“当时跟总书记汇报时我们表示要尽快推进科研成果的落地转化,建成能用的装置,服务于人民生命健康和国家需求。”他深有感触地说,科研工作者的使命,就是“在最接近国家重大需求和人民生命健康需要的地方从事科学研究”。

2019年12月,国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”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。项目由北京大学牵头承担,实施周期为2019年12月至2030年11月,跨度长达11年。项目完成后,激光质子放疗系统的运行费用将大为降低,更多肿瘤患者将因此受益。作为项目负责人,颜学庆说,“实现研制开发出稳定可靠的激光质子放射治疗系统的目标,还有很多物理技术的瓶颈需要一点点地去克服,还有很多工程的问题等着我们去突破。作为北大科研工作者,我们不仅要在原创上有想法,更要坚持‘四个面向’,致力于科技成果向现实生产力的转化,为国家相关产业链做贡献,真正打通产学研相结合的最后一公里。”为此,颜学庆积极促成项目落地于北京怀柔科学城的激光加速创新中心。“怀柔科学城的激光加速创新中心将成为重要的科研平台,起到示范作用,更重要的是为国家‘十四五’激光大科学装置研发奠定坚实的技术基础。”正因为这一重要作用,当2019年底激光加速创新中心启动之际,颜学庆感慨万千,在微信朋友圈发文致谢各方支持:“怀柔科学城北京激光加速创新中心经过两年多的论证,无数次汇报和方案调整,在2019年底终于可以启动。在此衷心感谢所有给予帮助和支持的领导们、专家们、同行们、朋友们、科学城公司和参加项目的团队成员们!”

面向世界科技前沿、面向国家重大需求、面向人民生命健康,是颜学庆近十多年来始终积极探索的目标和方向,但是如何面向经济主战场,对他来说还是个全新的命题。“科研成果如何产业化?”“如何运用产业化成果反哺科研?”这是颜学庆始终在思考的问题。2020年9月,北京大学与广州市白云区签署合作协议,共同支持广东省激光等离子体技术研究院的建设。“我们好多专利技术看似没有用,但到了广州这样的产业前沿发现遍地有用,在这里可以让相关技术继续孵化,集聚成当地的激光产业生态,整合出一条激光等离子体产业链,提升整个产业链水平,从而真正打通产学研结合的最后一公里。”颜学庆的想法很明确。

在燕园走过21载创新求索之路,颜学庆对北大打造自主创新新高地有着自己强烈的期许:“北大做强创新引擎离不开科学的评价体系和评估机制。持续创新需要深化科技创新体制改革的支撑。‘唯学术’‘唯贡献’的人才和学术评价体系将进一步激发北大科研工作者的创新潜能,我对此满怀期待!”

颜学庆教授向科学技术部党组书记、部长王志刚和随行领导介绍团队研究的超小型激光等离子体加速器癌症治疗系统


颜学庆教授在北大激光等离子体实验室  刘月玲 摄