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拍瓦激光质子加速器在北大“启航”

作者:888扑克手机版 发布时间:2020-06-12 17:09 点击数:

  2020年6月12日,国家重点研发计划“重大科学仪器设备开发”专项 “拍瓦激光质子加速器装置研究与应用示范”项目启动会在北京大学召开。这标志着在科技部、教育部等有关部委的支持下,由北京大学牵头承担的这一国家重大项目正式“启航”。

  该项目将基于重频拍瓦激光器的激光质子加速器,研制开发稳定可靠的激光质子放射治疗系统,并开展围绕肿瘤治疗的应用示范研究,经过临床测试及医学认证,最终完成满足医院治疗需求的激光质子放疗产品样机,并逐步实现产业化。

  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。”

  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。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。

  2018年北大120周年校庆前夕,习总书记到北大考察,在颜学庆团队用3D打印技术呈现的激光加速器原型装置(1:10比例)前驻足,详细询问这一装置的原理、应用领域和成果等。颜学庆向习总书记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。”

  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。项目将针对肿瘤治疗需求,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。

  科学仪器设备研发不同于基础研究,不仅需要集合优势科研和技术力量协同,还需高度统筹协调,充分调动人力、物力和财力等相关资源。为此,根据《国家重点研发计划管理暂行办法》的规定,北京大学作为项目牵头承担单位,协助项目团队组建了总体专家组、技术专家组以及用户专家委员会,相关职能部门全力“保驾护航”。

  前期,项目团队就技术路线、分工安排、时间节点、管理机制等多次组织详细讨论与充分沟通,目前已确定具体实施方案,并建立了周密严格的项目组织管理机制。

  项目根据关键科技问题设置了重频高功率飞秒激光系统、激光质子束加速及诊断系统、质子束流配送系统及治疗头、激光加速器控制系统和应用平台、质子治疗剂量验证与治疗计划系统五个课题。在北京市人民政府和北京市发展和改革委员会的大力支持下,项目将落地位于怀柔科学城核心区的激光加速创新中心,建设激光加速器研究平台——这里不仅将成为项目“主战场”,更将成为团队内外专家学者进行开拓性研究,促进激光加速器与能源、空间、生物以及材料等学科交叉融合的研发中心,也为国家“十四五”激光大科学装置研发奠定必要的技术基础。

  “本项目作为科技部重大创新举措,是第一个执行十一年的项目,充分体现了国家对于科技创新的决心和毅力。”颜学庆教授深有感触地说。

  从2019年12月立项到2030年11月完成,项目全周期分为三个研发阶段,将铸造“建成束流稳定可靠的重频百兆电子伏激光质子放疗原理样机”“建成基于激光加速器质子放疗工程样机”“构建激光加速大科学装置”“激光系统关键器件实现国产化”“完成产品定型”“通过 CFDA 认证”等一座座“里程碑”,实现技术成熟度达到9级、激光器核心部件国产化的激光质子放疗产品,并形成以企业为主体的紧密型产业结构。

  项目结束后,激光质子放疗系统的产品性能可媲美现有传统质子治疗系统水平,而在降低体积,造价和运行维护费用等方面具有巨大的潜力。“届时,市一级三甲医院无需大规模改建,均有条件配置,”颜学庆这样预期,“质子放疗所需的治疗费用也会显著降低,能造福更广大的癌症患者。”


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