超强超短激光装置打造“质子刀”

“要打好第一枪！”这几天，中科院上海光学精密机械研究所的沈百飞团队放弃高温假，在上海超强超短激光实验装置试用5拍瓦级（1拍瓦=1千万亿瓦）激光脉冲，这是科研团队首次用这么大功率的激光进行实验。为此，他们日夜奋战，力争下周让这个装置加速产生高能质子束，并“打”在肿瘤细胞切片等样品上。 ''kS*3  
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与此同时，上海超强超短激光实验装置大楼内，还忙碌着其他许多科研人员。他们在安装调试设备，确保今年底实现10拍瓦激光脉冲输出，成为“世界第一”。 1DA1N<'  
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建设张江综合性国家科学中心，是上海建设具有全球影响力的科技创新中心的核心任务。在这块科研高地上，超强超短激光、上海光源、软X射线自由电子激光等多个装置正在建设或运行，全球最大的光子领域大科学设施群已雄姿初现，集中度和显示度不断提升。 "{D|@
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激光“质子刀”有望治疗癌症 h/,${,}J  
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超强超短激光是人类已知的最亮光源，相当于把地球接收到的太阳总辐射聚焦到头发丝粗细的尺度。所谓“超强”，是激光脉冲峰值功率达到拍瓦级；所谓“超短”，是脉冲宽度达到数十飞秒级（1飞秒=1千万亿分之一秒）。能量如此之高的激光，能在实验室里创造出类似于恒星内部、黑洞边缘的极端条件，在许多科技领域有重要价值。 W.w)H@]7m  
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正因为此，欧盟的“极端光结构超高场设施”（ELI）计划已启动，在东欧三国建造3个10拍瓦级激光装置。去年8月，中科院上海光机所研制的上海超强超短激光实验装置，在国际上率先实现了5拍瓦激光脉冲输出。 ,p9i%i  
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这一世界最亮光源，到底有多强悍？沈百飞研究员领导的课题组成为了“尝鲜者”。从上周起，他们开始为首次实验做现场准备，计划利用5拍瓦激光装置，在飞秒至皮秒（1皮秒=1万亿分之一秒）时间内将质子束加速到几十MeV（兆电子伏特），并打到实验样品上。“质子比电子重1837倍，用激光加速质子，就需要‘大马力推动’，5拍瓦激光才能做到。”沈百飞解释说。当然，传统粒子加速器也能加速质子等微观粒子，但通常要建公里级隧道，成本很高。超强超短激光装置的造价则低得多，它产生的质子束、伽马射线等各种高能射线束，其参数可以与粒子加速器的束线形成互补。 2>l,no39t+  
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即将被质子束射击的实验样品中，肿瘤细胞切片与百姓健康息息相关。目前，质子、重离子治疗癌症取得了很好的临床效果，但由于要建粒子加速器，成本颇高。超强超短激光装置打造的“质子刀”，应该也能达到杀灭肿瘤细胞的效果，并有望大幅降低治疗成本，这对老百姓来说无疑是巨大的福音。“希望我们打的第一枪，今后会催生激光‘质子刀’。”沈百飞说。 aBzszp]l+  
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高能X光看清发动机部件结构 *;XWLd#  
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与超强超短激光实验装置一样，上海光源二期工程、与之毗邻的软X射线自由电子激光试验装置和用户装置建造工程，也在酷暑中进行。“现在，‘鹦鹉螺’这片区域可是大变样了。”中科院上海应用物理研究所所长、上海光源中心主任赵振堂笑着说。 tM#lFmdd\P  
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作为最早建成的张江大科学装置，上海光源已累计为16000名用户提供实验机时和相应服务，在支撑我国基础科学研究、关键技术研发、卫生事件应对等方面发挥了积极作用。仅从论文这一指标看，上海光源用户在《科学》《自然》《细胞》三大国际顶级期刊上发表论文近70篇，在其他高端学术期刊上发表论文约900篇。 Cz8f1suO4  
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“上海光源二期建成后，我们就可以研究发动机喷油嘴里的燃油流动机理，预计能为汽车发动机节省能耗10%。”同济大学汽车学院教授吴志军充满期待。据介绍，发动机燃油喷嘴的内部结构和机理决定了其性能。过去，技术研发人员通常凭经验优化其结构；而今，借助上海光源发出的高能X射线，他们能把金属部件的微米级结构看得一清二楚，从而设计出“最优”结构。 z~\t|Z]G,|  
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作为上海光源首批用户之一，吴志军团队经过多年研究，发明了一系列可控喷雾技术，已申请10余件专利。他们在与上汽、一汽等企业合作，推进科技成果产业化，还将这些技术应用于航空发动机。令吴志军欣喜的是，他提议建造的快速X光成像线站获得批准，成为上海光源二期16条光束线之一。2019年建成开放后，它发出的X射线不但亮度比一期线站更高，而且在时间分辨率上能做到百皮秒级“瞬间冻结”，让科研人员得以研究喷油嘴里的燃油流动机理。 ]1gx#y 2  
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新一代大科学装置能探知真空 Mzd[fR5a8  
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酷热的8月，不但多项大科学装置工程在张江热火朝天地进行，新一代大科学装置的前期研究工作也在紧锣密鼓地展开。一名科学家凌晨4时多还在回复记者短信，说他要参加这个项目的专家评审会。据透露，新一代大科学装置建成后，发出的激光兼具纳米级高空间分辨率、飞秒级高时间分辨率、高能量与动量分辨率，对材料、能源、环境、物理与化学、生命及医药等领域的研究具有强大支撑能力。 Bu]t*$  
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“我们有一个雄心：未来，在世界上率先实现100拍瓦激光脉冲输出，把它与新一代大科学装置结合，建一条极端光物理线站。”沈百飞透露。这条线站有多“极端”呢？它能够把似乎空空如也的真空极化，变成一种介质，有朝一日为人类所用。理论物理学家预言，强场中的真空具有量子电动力学（QED）效应。迄今为止，还没有一个实验能验证这一预言。极端光物理线站建成后，科学家就能检验强场真空QED理论的真伪，探知真空的本质。 9Ok9bC'?8@  
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在美国国家实验室，流传着一句话：“我们的科学家是在耀眼的‘阳光’下工作，其他许多国家的科学家则是在微弱的‘月光’下工作。”光的强度，对前沿科技探索确实是太重要了。如今，张江综合性国家科学中心的大科学设施群也发出了一道道耀眼的“阳光”，而且将变得更为耀眼。它们正在汇集培育国际一流研发团队，为前沿科技和经济社会重大需求问题提供长期、关键的支撑，让创新成果不断涌现。