超強(qiáng)超短激光裝置打造的“質(zhì)子刀”，應(yīng)該也能達(dá)到殺滅腫瘤細(xì)胞的效果，并有望大幅降低治療成本。
“要打好第一槍！”這幾天，中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的沈百飛團(tuán)隊(duì)放棄高溫假，在上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置試用5拍瓦級（1拍瓦=1千萬億瓦）激光脈沖，這是科研團(tuán)隊(duì)首次用這么大功率的激光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為此，他們?nèi)找箠^戰(zhàn)，力爭下周讓這個(gè)裝置加速產(chǎn)生高能質(zhì)子束，并“打”在腫瘤細(xì)胞切片等樣品上。
與此同時(shí)，上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置大樓內(nèi)，還忙碌著其他許多科研人員。他們在安裝調(diào)試設(shè)備，確保今年底實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光脈沖輸出，成為“世界第一”。
建設(shè)張江綜合性國家科學(xué)中心，是上海建設(shè)具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的核心任務(wù)。在這塊科研高地上，超強(qiáng)超短激光、上海光源、軟X射線自由電子激光等多個(gè)裝置正在建設(shè)或運(yùn)行，全球最大的光子領(lǐng)域大科學(xué)設(shè)施群已雄姿初現(xiàn)，集中度和顯示度不斷提升。
激光“質(zhì)子刀”有望治療癌癥
超強(qiáng)超短激光是人類已知的最亮光源，相當(dāng)于把地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。所謂“超強(qiáng)”，是激光脈沖峰值功率達(dá)到拍瓦級；所謂“超短”，是脈沖寬度達(dá)到數(shù)十飛秒級（1飛秒=1千萬億分之一秒）。能量如此之高的激光，能在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造出類似于恒星內(nèi)部、黑洞邊緣的極端條件，在許多科技領(lǐng)域有重要價(jià)值。
正因?yàn)榇?，歐盟的“極端光結(jié)構(gòu)超高場設(shè)施”（ELI）計(jì)劃已啟動，在東歐三國建造3個(gè)10拍瓦級激光裝置。去年8月，中科院上海光機(jī)所研制的上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出。
這一世界最亮光源，到底有多強(qiáng)悍？沈百飛研究員領(lǐng)導(dǎo)的課題組成為了“嘗鮮者”。從上周起，他們開始為首次實(shí)驗(yàn)做現(xiàn)場準(zhǔn)備，計(jì)劃利用5拍瓦激光裝置，在飛秒至皮秒（1皮秒=1萬億分之一秒）時(shí)間內(nèi)將質(zhì)子束加速到幾十MeV（兆電子伏特），并打到實(shí)驗(yàn)樣品上。“質(zhì)子比電子重1837倍，用激光加速質(zhì)子，就需要‘大馬力推動’，5拍瓦激光才能做到。”沈百飛解釋說。當(dāng)然，傳統(tǒng)粒子加速器也能加速質(zhì)子等微觀粒子，但通常要建公里級隧道，成本很高。超強(qiáng)超短激光裝置的造價(jià)則低得多，它產(chǎn)生的質(zhì)子束、伽馬射線等各種高能射線束，其參數(shù)可以與粒子加速器的束線形成互補(bǔ)。
沈百飛（左一）帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置工作。邵劍平 攝
即將被質(zhì)子束射擊的實(shí)驗(yàn)樣品中，腫瘤細(xì)胞切片與百姓健康息息相關(guān)。目前，質(zhì)子、重離子治療癌癥取得了很好的臨床效果，但由于要建粒子加速器，成本頗高。超強(qiáng)超短激光裝置打造的“質(zhì)子刀”，應(yīng)該也能達(dá)到殺滅腫瘤細(xì)胞的效果，并有望大幅降低治療成本，這對老百姓來說無疑是巨大的福音。“希望我們打的第一槍，今后會催生激光‘質(zhì)子刀’。”沈百飛說。
高能X光看清發(fā)動機(jī)部件結(jié)構(gòu)
與超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置一樣，上海光源二期工程、與之毗鄰的軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置和用戶裝置建造工程，也在酷暑中進(jìn)行。“現(xiàn)在，‘鸚鵡螺’這片區(qū)域可是大變樣了。”中科院上海應(yīng)用物理研究所所長、上海光源中心主任趙振堂笑著說。
作為最早建成的張江大科學(xué)裝置，上海光源已累計(jì)為16000名用戶提供實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)和相應(yīng)服務(wù)，在支撐我國基礎(chǔ)科學(xué)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、衛(wèi)生事件應(yīng)對等方面發(fā)揮了積極作用。僅從論文這一指標(biāo)看，上海光源用戶在《科學(xué)》《自然》《細(xì)胞》三大國際頂級期刊上發(fā)表論文近70篇，在其他高端學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文約900篇。
“上海光源二期建成后，我們就可以研究發(fā)動機(jī)噴油嘴里的燃油流動機(jī)理，預(yù)計(jì)能為汽車發(fā)動機(jī)節(jié)省能耗10%。”同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院教授吳志軍充滿期待。據(jù)介紹，發(fā)動機(jī)燃油噴嘴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理決定了其性能。過去，技術(shù)研發(fā)人員通常憑經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)；而今，借助上海光源發(fā)出的高能X射線，他們能把金屬部件的微米級結(jié)構(gòu)看得一清二楚，從而設(shè)計(jì)出“最優(yōu)”結(jié)構(gòu)。
作為上海光源首批用戶之一，吳志軍團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年研究，發(fā)明了一系列可控噴霧技術(shù)，已申請10余件專利。他們在與上汽、一汽等企業(yè)合作，推進(jìn)科技成果產(chǎn)業(yè)化，還將這些技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)。令吳志軍欣喜的是，他提議建造的快速X光成像線站獲得批準(zhǔn)，成為上海光源二期16條光束線之一。2019年建成開放后，它發(fā)出的X射線不但亮度比一期線站更高，而且在時(shí)間分辨率上能做到百皮秒級“瞬間凍結(jié)”，讓科研人員得以研究噴油嘴里的燃油流動機(jī)理。
上海光源二期線站、軟X射線自由電子激光試驗(yàn)裝置和用戶裝置正在建設(shè)。胡蔚成 攝
新一代大科學(xué)裝置能探知真空
酷熱的8月，不但多項(xiàng)大科學(xué)裝置工程在張江熱火朝天地進(jìn)行，新一代大科學(xué)裝置的前期研究工作也在緊鑼密鼓地展開。一名科學(xué)家凌晨4時(shí)多還在回復(fù)記者短信，說他要參加這個(gè)項(xiàng)目的專家評審會。據(jù)透露，新一代大科學(xué)裝置建成后，發(fā)出的激光兼具納米級高空間分辨率、飛秒級高時(shí)間分辨率、高能量與動量分辨率，對材料、能源、環(huán)境、物理與化學(xué)、生命及醫(yī)藥等領(lǐng)域的研究具有強(qiáng)大支撐能力。
“我們有一個(gè)雄心：未來，在世界上率先實(shí)現(xiàn)100拍瓦激光脈沖輸出，把它與新一代大科學(xué)裝置結(jié)合，建一條極端光物理線站。”沈百飛透露。這條線站有多
“極端”呢？它能夠把似乎空空如也的真空極化，變成一種介質(zhì)，有朝一日為人類所用。理論物理學(xué)家預(yù)言，強(qiáng)場中的真空具有量子電動力學(xué)（QED）效應(yīng)。迄今為止，還沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證這一預(yù)言。極端光物理線站建成后，科學(xué)家就能檢驗(yàn)強(qiáng)場真空QED理論的真?zhèn)?，探知真空的本質(zhì)。
“極端”呢？它能夠把似乎空空如也的真空極化，變成一種介質(zhì)，有朝一日為人類所用。理論物理學(xué)家預(yù)言，強(qiáng)場中的真空具有量子電動力學(xué)（QED）效應(yīng)。迄今為止，還沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)茯?yàn)證這一預(yù)言。極端光物理線站建成后，科學(xué)家就能檢驗(yàn)強(qiáng)場真空QED理論的真?zhèn)?，探知真空的本質(zhì)。
在美國國家實(shí)驗(yàn)室，流傳著一句話：“我們的科學(xué)家是在耀眼的‘陽光’下工作，其他許多國家的科學(xué)家則是在微弱的‘月光’下工作。”光的強(qiáng)度，對前沿科技探索確實(shí)是太重要了。如今，張江綜合性國家科學(xué)中心的大科學(xué)設(shè)施群也發(fā)出了一道道耀眼的“陽光”，而且將變得更為耀眼。它們正在匯集培育國際一流研發(fā)團(tuán)隊(duì)，為前沿科技和經(jīng)濟(jì)社會重大需求問題提供長期、關(guān)鍵的支撐，讓創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。
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