查皓：為科技發(fā)展“加點(diǎn)速度”

□ 范國軒

不少人經(jīng)歷過“學(xué)建筑就是蓋樓”“學(xué)計(jì)算機(jī)就是修電腦”等讓人啼笑皆非的專業(yè)誤解。對清華大學(xué)的青年物理學(xué)者查皓來說，他也面臨著類似的考驗(yàn)：該如何給人科普自己研究的是粒子加速器呢？

“家人朋友聽到我的專業(yè)名字，第一反應(yīng)就是給火箭加速”，查皓戲謔道。事實(shí)上，粒子加速器最初是作為人們探索原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段而發(fā)展起來的。要想了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，首先要把它“打碎”，粒子加速器就是用高速粒子相互碰撞“打碎”對方，然后進(jìn)一步了解其中粒子級別的信息。

時(shí)間的車輪滾滾向前，人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)方式從最原始的肉眼可見逐漸發(fā)展到借助放大鏡、顯微鏡，而后粒子加速器、對撞機(jī)等設(shè)備橫空出世，人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)也開始深入到細(xì)胞、分子、原子和亞原子深層次，期間的每一層深入無疑都極大地推動(dòng)了科技和社會(huì)的發(fā)展。而加速器這一新生事物不僅直接推動(dòng)了人們對物質(zhì)的微觀認(rèn)知，還在發(fā)展的過程中助力了安全檢查、食品與藥物加工、醫(yī)療的諸多國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的發(fā)展，這也成了查皓癡迷探索加速器的終極原因。

鐘情加速器研究

“1930年，科學(xué)家用加速器轟開了原子的大門，逐一發(fā)現(xiàn)了60多種粒子，一個(gè)新世界的大門就此應(yīng)聲而開。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)差不多每3年就有一個(gè)成果是通過加速器發(fā)現(xiàn)的，至今已經(jīng)有30多項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果……”每當(dāng)提起加速器，查皓的眼睛就亮了起來。在普通人眼中高深莫測的加速器，總是能被他講得深入淺出，讓人聽得入迷。他經(jīng)常稱加速器為“人類偉大的發(fā)明”，任誰都能感受到他對加速器那種癡迷的熱愛。也正是因?yàn)檫@份熱愛，查皓的科研道路筆直地走向了加速器的研究。

從清華大學(xué)工程物理系的本科時(shí)代起步，讀完博士之后，查皓入選了歐洲核子研究中心的瑪麗·居里學(xué)者。歐洲核子中心（也通常被稱為CERN）是世界上最大的粒子研究實(shí)驗(yàn)室，坐落在瑞士和法國邊境。在這里，查皓將自己的3年時(shí)間投入到一種被稱為“X波段加速結(jié)構(gòu)”新技術(shù)的研究中。該技術(shù)可以在短短1米長度內(nèi)讓粒子獲得超過1億伏特的加速，這差不多是一次閃電的電壓。這項(xiàng)技術(shù)可以縮小粒子加速器的“個(gè)頭”，讓加速器變得更實(shí)用。據(jù)查皓介紹，像大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）這種“巨獸”型的機(jī)器，長度達(dá)到幾十公里，令人望而生畏；而高梯度加速結(jié)構(gòu)技術(shù)可以讓類似的機(jī)器縮小至幾公里，建造的難度也大大降低。

雖然X波段加速結(jié)構(gòu)技術(shù)具備很大的潛力和價(jià)值，但研究起來不容易。CERN和多家科研機(jī)構(gòu)廣泛合作展開了長達(dá)30多年的持續(xù)研究，使得該項(xiàng)技術(shù)逐漸走向成熟并開始實(shí)用。正是這段時(shí)間，查皓加入了X波段加速結(jié)構(gòu)的研究，并取得了豐碩的研究成果。例如CERN下一代直線對撞機(jī)的項(xiàng)目計(jì)劃，其加速結(jié)構(gòu)方案的研究在2010年基本定型。查皓通過細(xì)致的工作發(fā)現(xiàn)該方案還可以進(jìn)一步改進(jìn)，最終為該方案降低了5億歐元的建造成本。在2016年國際高梯度結(jié)構(gòu)研討會(huì)上，查皓還展示了一種全新的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，被同行評價(jià)為該研究領(lǐng)域未來“最有潛力”的發(fā)展方向。

加速器與醫(yī)學(xué)的碰撞

國外如魚得水的研究生涯并沒有讓查皓安之如怡，他心中還有更遠(yuǎn)大的理想抱負(fù)。

讓查皓動(dòng)了回國念頭的動(dòng)力來源于粒子加速器的另外一個(gè)應(yīng)用方向——放射治療設(shè)備：“X波段加速技術(shù)”不僅在大型裝置加速器例如直線對撞機(jī)中大放異彩，還可以在小型加速器中廣泛應(yīng)用，例如放射治療設(shè)備。

放射治療是癌癥治療的三大手段之一，放射治療設(shè)備使用電子加速器產(chǎn)生的高能X射線殺傷癌細(xì)胞。與手術(shù)相比，放射治療的最大優(yōu)點(diǎn)是避免手術(shù)帶來的高風(fēng)險(xiǎn)并減小創(chuàng)傷和痛苦，可直接通過放射治療殺死腫瘤組織，從而起到“隔山打?！钡男Ч?。有些早期癌癥甚至可以只通過放射治療手段就能得到治愈，成為早期癌癥的標(biāo)準(zhǔn)治療方法。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，放射治療對癌癥治愈的貢獻(xiàn)達(dá)到40%，治療成本卻僅占總成本的5%，無疑是性價(jià)比極高的治療手段。但目前我國放射治療領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家相比差距巨大，人均放療設(shè)備數(shù)量不足發(fā)達(dá)國家的1/5，而且低端和老舊設(shè)備偏多。因此大量增購放療設(shè)備，既適應(yīng)目前快速增長的治療需求，也是更經(jīng)濟(jì)與高效的選擇。

據(jù)查皓介紹，“X波段加速技術(shù)”能夠?yàn)榉派渲委熝b置技術(shù)發(fā)展增添助力。放射治療技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，其治療精度和安全性不斷提高，副作用大幅度減小，已經(jīng)擺脫了過去“治療后掉頭發(fā)”的形象。為了進(jìn)一步提高治療效果，下一代放射治療技術(shù)開始往“定向消融”方向發(fā)展，通過更強(qiáng)力的輻射徹底根除腫瘤。這就要求放療裝置能夠更精確地工作，其空間精度需要達(dá)到百微米級別（即數(shù)根頭發(fā)絲直徑）。這個(gè)精度對于數(shù)米尺寸和數(shù)噸重量的設(shè)備來說，目前的技術(shù)水平尚難完成。而“X波段加速技術(shù)”將加速器小型化，顯著減小裝置的體積與重量，有可能實(shí)現(xiàn)這樣的精度，因此是未來放射治療設(shè)備技術(shù)的很有潛力的方向。

種種焦灼縈繞在查皓心頭，想讓“X波段加速技術(shù)”盡快走向醫(yī)學(xué)應(yīng)用的想法讓查皓再也無法安定下來。彼時(shí)，已經(jīng)有美國醫(yī)用加速器的知名企業(yè)向他伸出橄欖枝，但為了心中那個(gè)隱隱的夢，加上國內(nèi)科研界欣欣向榮的發(fā)展趨勢，2016年年底，查皓毅然決然啟程回國，2017年年初，在母校清華大學(xué)重新開始且行且悟的科研之旅。

X 波段加速結(jié)構(gòu)測試平臺(tái)

“加速器的未來是越來越明朗的，因?yàn)榱Ｗ邮羌苡杏玫摹淦鳌軌颉倏亍?，也將成為人類史上最偉大的成就之一?！睅е@樣的信念，查皓再度回到母校之時(shí)，沒有任何初來乍到的不安，也省略了國內(nèi)外科研環(huán)境差異的“水土不服”，一頭扎進(jìn)了緊湊型加速器裝置的研究。

在母校參與的“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“X波段高穩(wěn)定性小型化放射源模塊”項(xiàng)目中，查皓與團(tuán)隊(duì)共同研制了X波段醫(yī)用加速管，在測試中核心指標(biāo)劑量率達(dá)到國外同類加速管的接近兩倍。這個(gè)令人欣喜的結(jié)果在2018年8月召開的全國醫(yī)用加速器會(huì)議上一經(jīng)報(bào)告，就得到了眾人的廣泛關(guān)注。

夢想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)

科研是一座大山，只有一步步向上攀登過才明白其中的艱難。查皓的研究工作亦是如此?！凹铀倨鞯目煽匦?，是人們可以用它來隨心所欲地做研究的基本前提，也給人們提供了更多的選擇權(quán)，而大型加速器無論是成本還是用來做研究，其所要花費(fèi)的代價(jià)都過于高昂，因此，加速器小型化的變革過程雖然注定曲折，但我們也要志在必得，這在醫(yī)用和工業(yè)用加速器研究中非常重要?！辈轲┠抗鈭?jiān)定地說。

在清華大學(xué)將近兩年的時(shí)間呼嘯而過，如今查皓的規(guī)劃也更加清晰，只為到達(dá)山巔——將X波段結(jié)構(gòu)技術(shù)用到加速器小型化中。

至此，查皓心中那個(gè)隱隱的夢終于描繪成形。他的主要精力都聚焦在基于X波段結(jié)構(gòu)技術(shù)的新型醫(yī)用和工業(yè)用加速器研究上，朝實(shí)用化這些大方向不斷前進(jìn)，還有向其他不同領(lǐng)域拓展。如今，國內(nèi)對醫(yī)療重視程度越來越高，他想趁著高新技術(shù)崛起的機(jī)遇，通過加速器技術(shù)實(shí)現(xiàn)，造福更多醫(yī)療條件有限的地方，造福更多的人。查皓心里裝的不止是一個(gè)能“撞碎”原子核的設(shè)備，而是寄托在這個(gè)設(shè)備上那些具有劃時(shí)代意義的福祉。

X波段加速結(jié)構(gòu)的研究涵蓋多個(gè)領(lǐng)域，但目前這些領(lǐng)域的研究尚未成熟，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)也仍處于探索過程。這讓查皓看到了我國在這一領(lǐng)域研究中的發(fā)展機(jī)遇，也更讓他堅(jiān)定自己的選擇。曾經(jīng)的海外經(jīng)歷讓他篤信，必須加強(qiáng)與國際同行機(jī)構(gòu)的交流與合作，掌握各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展，加深對高梯度加速技術(shù)發(fā)展的理解，才能更有力地探索其技術(shù)的潛在應(yīng)用方向，培養(yǎng)在領(lǐng)域內(nèi)的大局觀和前瞻意識(shí)。而這也是接下來他將要開展的重點(diǎn)工作之一。

“隨著科技的進(jìn)步，粒子這種看不見摸不著的存在，開始被人們慢慢操控，還能用它做更多利國利民的事，回顧這段‘無心插柳柳成蔭’的歷史，我會(huì)油然而生一種自豪感。”查皓這樣詮釋他一路走來的科研之路的意義。

君問未來亦可期

魯迅先生曾說，“哪里有什么天才？我只是把別人喝咖啡的工夫都用在了工作上?！睂Υ瞬轲└型硎?。一邊是風(fēng)雨兼程的科研，另一邊是清華大學(xué)“雙肩挑”的學(xué)生工作，而且回母校將近兩年，查皓已經(jīng)開始承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，就算是熟知的領(lǐng)域，他也會(huì)花上兩天時(shí)間一絲不茍地準(zhǔn)備一個(gè)半小時(shí)的課程內(nèi)容。而工作之外，再忙他也會(huì)抽出時(shí)間盡量多陪伴家人。授課、科研、學(xué)生工作……任務(wù)多了，難免分身乏術(shù)。查皓內(nèi)斂地笑道：“很多時(shí)候我不得不利用晚上的時(shí)間來工作，不過我是個(gè)不看電視的人，這樣倒是可以節(jié)省出很多時(shí)間?！?/p>

不管是X波段加速結(jié)構(gòu)，還是新型醫(yī)用加速器的研究，如今在國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)都處于探索階段。“對于基礎(chǔ)研究來說，加速器技術(shù)的前路應(yīng)該怎么走，是個(gè)有指導(dǎo)、有規(guī)劃、循序漸進(jìn)的過程，當(dāng)然也是不斷靈光乍現(xiàn)的過程。最重要的，這不只是一個(gè)人的事，而是整個(gè)科研界的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)?！边@樣結(jié)語的時(shí)候，查皓眼神中的星火之光又被點(diǎn)亮了。