粒子加速 国之大贤 ——缅怀方守贤院士对粒子加速器事业的贡献

光源是人类文明的灯塔。同步辐射光源是一种利用相对论性电子在磁场中偏转时产生电磁辐射的先进光源，具有高亮度、宽频谱、准直性和相干性等优点，是科学研究的利器。国际上同步辐射光源的发展，经历了寄生于高能物理实验的第一代、同步辐射专用的第二代、性能更高且以插件磁铁组件产生辐射为主的第三代光源。北京同步辐射装置(BSRF)就是BEPC“一机两用”的第一代同步辐射光源，也是中国第一台同步辐射装置。

BEPC建成后，实现了高能物理和同步辐射的高效率运行，也出现两者对束流性能要求不同和双方争抢机时的情况。方守贤敏锐地发现了这个问题，在BEPC运行的早期，就提出了建造专用同步辐射光源的建议，并指导研究生完成了一台第三代同步辐射光源的物理设计。1992年4月，方守贤在中科院数理学部所作的学术报告中，进一步阐述了高能所的远景存在的两种机遇，即建造一台高亮度的τ-粲工厂和一台 1.5 GeV 的高性能同步辐射光源。

1993年11月，丁大钊、方守贤和冼鼎昌三位院士提出在中国建设一台性能先进、规模中等的第三代同步辐射光源的建议。1994年1月，方守贤在应邀与杨福家所长探讨中国科学院上海原子核研究所(即后来的上海应用物理研究所)发展方向时，讲述了这份建议的内容，认为上海原子核所可以参与竞争，争取把光源建在上海。杨所长当即请方守贤就原子核所参与竞争之事给予指导和支持，方守贤欣然接受。“一石激起千层浪”，杨福家向全所传达了筹建光源计划，得到全所同仁的赞同和响应。1994年，原子核所向中科院和上海市提出了“关于在上海地区建造第三代同步辐射光源的建议报告”，得到市政府和院领导的大力支持。

2004年1月7日，国务院常务会议批准上海光源的项目建议书。同年12月25日，上海光源在浦东张江高科技园破土动工。经过全体工程建设者的努力，上海光源于2007年12月首次出光，2009年4月建成并向用户开放。作为国际上最先进的第三代同步辐射光源之一，上海光源开放运行10年来，取得了一大批重要的研究成果。方守贤担任上海光源工程科技委主任，在光源的立项、预研、建设和调试运行中发挥了关键作用。

束流能量为GeV量级的强流质子加速器在轰击金属靶时，能产生大量的中子，在能源、环境和材料领域具有广泛的应用，是国际粒子加速器发展的重要前沿方向。在“七上七下”的曲折历程中，方守贤参加了用于生产核燃料的强流超导质子直线加速器的研究，也参加了多台质子同步加速器的设计，特别是“753”和“87”工程项目。在建设正负电子对撞机和同步辐射光源的同时，他身体力行，冲击强流质子加速器前沿。

1983年，诺贝尔物理学奖获得者鲁比亚教授提出“能量放大器”的新概念，在国际上引起了广泛关注。这里的“能量放大”，是指利用强流质子加速器的束流轰击使用U238或钍燃料的次临界状态的反应堆中的散裂靶，产生大量的外源中子，将反应堆转为临界状态，使链式裂变反应得以持续，产生的能量远大于加速器消耗的能量，又称为加速器驱动的次临界系统(ADS)。

在鲁比亚教授的方案里，采用回旋加速器产生强流质子束。回旋加速器具有连续束运行的优点，但要达到GeV级的束流能量，磁铁系统将会十分庞大。方守贤回想起十多年前参加的“698工程”之“强流、超导、质子、直线”的“八字方针”，提出了基于超导直线加速器的ADS技术路线。1996年3月，他与丁大钊等六位院士向中科院数理学部提出了“及早开展充分利用铀资源的洁净核能系统的研究”的建议，并先后组织了多次研讨会，以推进ADS在我国的研究。

1999年，科技部批准了“加速器驱动的洁净核能系统的物理和技术基础研究”的973项目，方守贤被任命为项目专家组成员。他带领团队开展强流直线加速器中关键的射频四极场加速器(RFQ)的设计和研制。依据计算机模拟技术的发展，他提出跳过铝冷模研究阶段，直接进入无氧铜样机的制造的技术路线，打破了国际上传统的做法，既节省了经费，又加快了进度。方守贤带领项目团队经过5年奋斗，在2006年成功研制了中国第一台能量 3.5 MeV 强流RFQ加速器，其主要指标达到了国际先进水平。

方守贤以高度的责任感敏锐地注意到，随着核电事业迅速发展，高放射性废料的处理将成为我国核能是否可持续发展的关键问题之一。2007年，ADS研发项目再次列入“973计划”。在项目任务书中，他将研究重点从能源转向核废料嬗变，项目名称也改为“加速器驱动核废料嬗变关键技术的研究”，并担任了该项目顾问。2008年，方守贤受中科院数理学部的委托，组织4次院士咨询会，邀请21位核科技领域的院士、专家，对我国快中子反应堆和ADS两者的关系和发展前景进行分析及评估，形成了这样的共识：快堆侧重于核燃料的增殖，ADS则侧重于核废料的嬗变，两者互补发展，在核废料嬗变方面，选择ADS比较合理。院士咨询的意见为中科院领导采纳，也为中科院2011年实施的“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”先导专项提供了依据。

与同步辐射和反应堆中子源互补，散裂中子源同为学科研究的重要平台，在物理学、化学、生命、材料、医药、国防和能源等科学前沿领域有着广泛而重要的应用，也是强流质子加速器发展的重要前沿，世界上只有少数发达国家拥有这样的装置。根据我国科技发展和国家战略的需求，方守贤和丁大钊、赵志祥、陈和生等专家于2000年8月向科技部上报了“多用途中子科学装置—脉冲强中子源”项目建议书。

2000年9月，科学院路甬祥院长批示要求我们“组织对我国建设散裂中子源的必要性和可行性进行研究”。根据院长的指示，数理学部成立了由方守贤牵头、12位院士组成的咨询组，开展散裂中子源研究的咨询工作，2001年5月和8月召开了两次咨询会。在11月初完成的咨询报告中，同意中科院物理研究所提出的在第二期知识创新工程中建设一台束流功率为 100 kW 中等规模的散裂中子源(CSNS)。随后，方守贤和章综院士等科学家一起，大力推动院方向性项目“多学科平台散裂中子源的关键技术的创新研究”，组织并参加了CSNS加速器方案设计研究、质子直线加速器关键技术研究和快脉冲同步加速器关键技术三个子课题的研究，为CSNS的立项建设打下了基础。

2006年5月广东省发改委组织高能所和物理所领导到广东省建议的散裂中子源的三个候选地点考察。方守贤参加了这次考察，对散裂中子源定点东莞的决策作出了重要贡献。

CSNS工程建设立项后，方守贤担任CSNS工程科技委主任，主持了工程历届科技委的会议，组织国内相关领域的专家，为CSNS的设计、建设和调试出谋划策。方守贤还充分利用自己广泛的国际联系，为CSNS多方争取国际合作渠道，引进关键技术，解决技术难点，培养专业人才。方守贤非常关心CSNS加速器的设计工作，对关键部分的设计提出了许多指导意见，并不断地优化设计，提高性能，控制造价。尽管年近八旬，亲临工程建设现场近20次，热心指导工作。

2011年10月20日CSNS在广东省东莞市奠基，方守贤参加了工程建设奠基典礼。CSNS的工程建设中遇到许多困难和技术难关，方守贤积极出谋划策，帮助大家战胜困难。2017年8月27日第1次打靶就成功获得预期的中子束流。经过6年半的努力，CSNS 按计划建成，达到验收指标，2018年8月23日通过国家验收，投入正式运行，随后不久向用户开放，使中国成为继美、英、日之后，第4个拥有散裂中子源的国家。方守贤担任CSNS项目科技委主任，在CSNS建设的各个阶段都发挥了重要作用。

位于广东省东莞市的中国散裂中子源鸟瞰

2012年10月，中国物理学会加速器分会第9次会员代表大会召开期间，恰逢方守贤先生80周岁生日，组委会安排了一个特别的学术报告单元。会上，5位专家分别报告了北京正负电子对撞机、上海光源、重离子加速器、中国散裂中子源和ADS等方面的发展，方守贤作了题为“质子精确治疗与加速器”的精彩报告。

建设质子治疗加速器是方守贤多年的梦想，关系人民的健康。在为我国高能加速器的发展作出重大贡献的同时，方守贤一直在思考如何将高能加速器尖端技术投入国民经济的主战场。他曾多次说：“我搞了一辈子的加速器，花费了国家很多资源，现在应该为国家做点事”。经过深入调研，方守贤了解到，质子和重离子加速器已成为国际上最先进的肿瘤放疗装备，是对付癌症的有效手段，而国内的研发还是空白。方守贤积极推动并领导质子治疗加速器的研究。他认为：质子治疗装备是科技含量极高、投资很大的大科学工程装置，一般企业无力研制，如国家不大力投入、自主进行研制，则中国的市场必将被国外的设备垄断。质子治疗装备在技术上与CSNS相似，又是大科研工程，刚好可以发挥高能所的特长。自2007年起，他在高能所先后指导了多位研究生和博士后开展质子治疗加速器的设计研究，进行关键技术的预先研究，完成了概念设计。2013年，在上海市政府的支持下，国产质子治疗示范装置正式启动，上海应用物理所联手上海交通大学附属瑞金医院以及艾普强粒子设备公司共同研制，方守贤担任项目总顾问。

在方案设计阶段，方守贤先后组织了多次国际和国内研讨会优化设计，经过反复比较，确定了同步加速器慢引出的方案，并根据精确治疗的理念，亲自拍板采用先进的扫描方式和高精度旋转治疗头，使设计达到了国际先进水平。不同于科研用加速器，医用加速器是一种具有商业价值的设备，无法从生产厂商得到相关资料，所有的关键技术都要靠自己研发。在装置和设备研制过程中，方守贤深入技术第一线，倾听研发人员遇到的问题，提出解决困难的路径并鼓励大家勇于创新，解决了大量关键技术难题。

旋转治疗头能以最佳角度对患者进行治疗，是一台包含束流聚焦、扫描、测量、定位和剂量测量等的复杂系统。这也是方守贤在以往的加速器中没有打过交道的设备，国内没有工厂具备制造经验，国外也只有日本的日立、三菱和比利时的IBA等少数企业有类似的产品。依靠进口还是自己做？为了加快整个装置的研发，开始时曾考虑购买一套旋转治疗头，但经与外商联系，不但价格昂贵，技术也不公开。在这样的情况下，方守贤积极推动国内相关厂家自行研发生产，亲自参加并指导旋转治疗头物理设计，采用了先进的±180度方案，克服了种种技术困难，终于建造成功我国第一台质子旋转治疗头。

2018年，第一台国产质子治疗示范装置建成，进入调试阶段，装置包括质子加速器、束流输运线和固定、旋转和眼束三个治疗室。

老骥伏枥，志在千里；烈士暮年，壮心不已。在这台质子治疗示范装置从立项到建设的近10年里，方守贤经常奔波于北京和上海之间，一旦得知项目遇到困难，他不顾年迈体弱，总是在第一时间赶到现场了解情况，亲自指导工作，提出解决问题的办法。可谁又知道，他承受了多大压力，克服了多少困难。方守贤的妻子常年患病，不但不能内助，还需要别人照顾，他常常光顾家政市场，为请不到合适的保姆而苦恼。2019年春节前夕，方守贤前往上海协调项目中的技术问题，却在完成任务返京后不久病倒，再也没能回到上海瑞金医院质子加速器治癌中心，亲眼看看首台国产质子治疗装置医治病人的情景，永远离开了他所钟爱的粒子加速器战斗岗位。

粒子加速，国之大贤。方守贤先生把毕生的精力奉献给祖国的粒子加速器事业，他的崇高精神和卓越人生激励我们砥砺前行，继续为实现中华民族伟大复兴的中国梦而努力奋斗。