查皓：為科技發展“加點速度”

□ 范國軒

不少人經歷過“學建筑就是蓋樓”“學計算機就是修電腦”等讓人啼笑皆非的專業誤解。對清華大學的青年物理學者查皓來說，他也面臨著類似的考驗：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名字，第一反應就是給火箭加速”，查皓戲謔道。事實上，粒子加速器最初是作為人們探索原子核內部結構的重要手段而發展起來的。要想了解物質的微觀結構，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，然后進一步了解其中粒子級別的信息。

時間的車輪滾滾向前，人類對物質結構的認識方式從最原始的肉眼可見逐漸發展到借助放大鏡、顯微鏡，而后粒子加速器、對撞機等設備橫空出世，人類對物質結構的認識也開始深入到細胞、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了科技和社會的發展。而加速器這一新生事物不僅直接推動了人們對物質的微觀認知，還在發展的過程中助力了安全檢查、食品與藥物加工、醫療的諸多國民經濟領域的發展，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，科學家用加速器轟開了原子的大門，逐一發現了60多種粒子，一個新世界的大門就此應聲而開。諾貝爾物理學獎差不多每3年就有一個成果是通過加速器發現的，至今已經有30多項獲獎成果……”每當提起加速器，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。他經常稱加速器為“人類偉大的發明”，任誰都能感受到他對加速器那種癡迷的熱愛。也正是因為這份熱愛，查皓的科研道路筆直地走向了加速器的研究。

從清華大學工程物理系的本科時代起步，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驗室，坐落在瑞士和法國邊境。在這里，查皓將自己的3年時間投入到一種被稱為“X波段加速結構”新技術的研究中。該技術可以在短短1米長度內讓粒子獲得超過1億伏特的加速，這差不多是一次閃電的電壓。這項技術可以縮小粒子加速器的“個頭”，讓加速器變得更實用。據查皓介紹，像大型強子對撞機（LHC）這種“巨獸”型的機器，長度達到幾十公里，令人望而生畏；而高梯度加速結構技術可以讓類似的機器縮小至幾公里，建造的難度也大大降低。

雖然X波段加速結構技術具備很大的潛力和價值，但研究起來不容易。CERN和多家科研機構廣泛合作展開了長達30多年的持續研究，使得該項技術逐漸走向成熟并開始實用。正是這段時間，查皓加入了X波段加速結構的研究，并取得了豐碩的研究成果。例如CERN下一代直線對撞機的項目計劃，其加速結構方案的研究在2010年基本定型。查皓通過細致的工作發現該方案還可以進一步改進，最終為該方案降低了5億歐元的建造成本。在2016年國際高梯度結構研討會上，查皓還展示了一種全新的結構方案設計，被同行評價為該研究領域未來“最有潛力”的發展方向。

加速器與醫學的碰撞

國外如魚得水的研究生涯并沒有讓查皓安之如怡，他心中還有更遠大的理想抱負。

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

放射治療是癌癥治療的三大手段之一，放射治療設備使用電子加速器產生的高能X射線殺傷癌細胞。與手術相比，放射治療的最大優點是避免手術帶來的高風險并減小創傷和痛苦，可直接通過放射治療殺死腫瘤組織，從而起到“隔山打牛”的效果。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，成為早期癌癥的標準治療方法。

據統計，放射治療對癌癥治愈的貢獻達到40%，治療成本卻僅占總成本的5%，無疑是性價比極高的治療手段。但目前我國放射治療領域與發達國家相比差距巨大，人均放療設備數量不足發達國家的1/5，而且低端和老舊設備偏多。因此大量增購放療設備，既適應目前快速增長的治療需求，也是更經濟與高效的選擇。

據查皓介紹，“X波段加速技術”能夠為放射治療裝置技術發展增添助力。放射治療技術經過多年的發展，其治療精度和安全性不斷提高，副作用大幅度減小，已經擺脫了過去“治療后掉頭發”的形象。為了進一步提高治療效果，下一代放射治療技術開始往“定向消融”方向發展，通過更強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，其空間精度需要達到百微米級別（即數根頭發絲直徑）。這個精度對于數米尺寸和數噸重量的設備來說，目前的技術水平尚難完成。而“X波段加速技術”將加速器小型化，顯著減小裝置的體積與重量，有可能實現這樣的精度，因此是未來放射治療設備技術的很有潛力的方向。

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

X 波段加速結構測試平臺

“加速器的未來是越來越明朗的，因為粒子束是件很有用的‘武器’，而能夠‘操控’它，也將成為人類史上最偉大的成就之一。”帶著這樣的信念，查皓再度回到母校之時，沒有任何初來乍到的不安，也省略了國內外科研環境差異的“水土不服”，一頭扎進了緊湊型加速器裝置的研究。

在母校參與的“十三五”重點研發計劃“X波段高穩定性小型化放射源模塊”項目中，查皓與團隊共同研制了X波段醫用加速管，在測試中核心指標劑量率達到國外同類加速管的接近兩倍。這個令人欣喜的結果在2018年8月召開的全國醫用加速器會議上一經報告，就得到了眾人的廣泛關注。

夢想照進現實

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。“加速器的可控性，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，而大型加速器無論是成本還是用來做研究，其所要花費的代價都過于高昂，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，這在醫用和工業用加速器研究中非常重要。”查皓目光堅定地說。

在清華大學將近兩年的時間呼嘯而過，如今查皓的規劃也更加清晰，只為到達山巔——將X波段結構技術用到加速器小型化中。

至此，查皓心中那個隱隱的夢終于描繪成形。他的主要精力都聚焦在基于X波段結構技術的新型醫用和工業用加速器研究上，朝實用化這些大方向不斷前進，還有向其他不同領域拓展。如今，國內對醫療重視程度越來越高，他想趁著高新技術崛起的機遇，通過加速器技術實現，造福更多醫療條件有限的地方，造福更多的人。查皓心里裝的不止是一個能“撞碎”原子核的設備，而是寄托在這個設備上那些具有劃時代意義的福祉。

X波段加速結構的研究涵蓋多個領域，但目前這些領域的研究尚未成熟，國內外各研究機構也仍處于探索過程。這讓查皓看到了我國在這一領域研究中的發展機遇，也更讓他堅定自己的選擇。曾經的海外經歷讓他篤信，必須加強與國際同行機構的交流與合作，掌握各個相關領域的進展，加深對高梯度加速技術發展的理解，才能更有力地探索其技術的潛在應用方向，培養在領域內的大局觀和前瞻意識。而這也是接下來他將要開展的重點工作之一。

“隨著科技的進步，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。”對此查皓感同身受。一邊是風雨兼程的科研，另一邊是清華大學“雙肩挑”的學生工作，而且回母校將近兩年，查皓已經開始承擔教學任務，就算是熟知的領域，他也會花上兩天時間一絲不茍地準備一個半小時的課程內容。而工作之外，再忙他也會抽出時間盡量多陪伴家人。授課、科研、學生工作……任務多了，難免分身乏術。查皓內斂地笑道：“很多時候我不得不利用晚上的時間來工作，不過我是個不看電視的人，這樣倒是可以節省出很多時間。”

不管是X波段加速結構，還是新型醫用加速器的研究，如今在國內外各研究機構都處于探索階段。“對于基礎研究來說，加速器技術的前路應該怎么走，是個有指導、有規劃、循序漸進的過程，當然也是不斷靈光乍現的過程。最重要的，這不只是一個人的事，而是整個科研界的責任與擔當。”這樣結語的時候，查皓眼神中的星火之光又被點亮了。