提到研究微觀世界，人們首先想到的工具就是顯微鏡，而粒子加速器正是研究微觀粒子世界的超級(jí)顯微鏡。人們想要研究的基本粒子（例如原子核）可以類比為一個(gè)核桃，如果要看到核桃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以用石頭砸開核桃，看清楚其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我們常見的各種粒子加速器，例如高能對(duì)撞機(jī)、同步輻射光源和自由電子激光，就是加速帶電粒子進(jìn)行對(duì)撞或者進(jìn)行照射成像，來探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一種研究工具。
通常，人們采用微波來進(jìn)行高能粒子加速，由于加速結(jié)構(gòu)存在打火擊穿的限制，高能加速器的規(guī)模和造價(jià)都越來越難以承受，例如西歐核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）周長(zhǎng)達(dá)到27公里，正在預(yù)研的下一代高能加速器——環(huán)形對(duì)撞機(jī)（CEPC）周長(zhǎng)預(yù)計(jì)可能接近100公里。2018年10月，法國(guó)科學(xué)家、飛秒激光發(fā)明人熱拉爾·穆魯被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，諾貝爾學(xué)院在頒獎(jiǎng)報(bào)告中特別提到超短超強(qiáng)激光技術(shù)在加速器和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，激光聚焦光強(qiáng)可以達(dá)到1018W/cm2以上，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)高達(dá)1012V/m。這樣強(qiáng)的激光與等離子體相互作用時(shí)，克服了真空擊穿問題，產(chǎn)生的加速電場(chǎng)可以比常規(guī)加速器至少高出千倍以上，可以更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)高能粒子加速。例如采用激光加速器可以把3公里長(zhǎng)的美國(guó)斯坦福大學(xué)30GeV直線加速器縮短到足球場(chǎng)大小，激光加速器使得“大物理變小”。同時(shí)激光加速器產(chǎn)生的粒子束具有能量高、脈沖短（皮秒量級(jí)）、尺寸小（微米）、方向性好以及峰值流強(qiáng)高等特點(diǎn)，未來在腫瘤輻照與免疫放療、等離子體磁場(chǎng)診斷、短壽命粒子加速、光核物理、質(zhì)子超聲和材料輻照等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。
先進(jìn)加速器作為前沿科學(xué)中的核心儀器設(shè)備，對(duì)人類的生存與發(fā)展以及國(guó)家安全具有重要影響，成為衡量綜合國(guó)力的一項(xiàng)重要標(biāo)志。有鑒于此，美日歐等國(guó)家競(jìng)相開展了激光等離子體加速器前沿研究，目前國(guó)際上100TW級(jí)別的激光加速實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)超過100多個(gè)。世界上最大的加速器實(shí)驗(yàn)室歐洲核子研究中心（CERN）也將等離子體加速作為未來加速器的重要選項(xiàng)，并將優(yōu)先開展這方面的研究。目前國(guó)際超強(qiáng)激光委員會(huì)（ICUIL）與國(guó)際未來加速器委員會(huì)（ICFA）已經(jīng)開始就相對(duì)論等離子體加速研究開展合作，并將百M(fèi)eV離子加速、高亮度光源和TeV高能對(duì)撞機(jī)作為未來發(fā)展的三個(gè)重要階段目標(biāo)。
2019年北京大學(xué)重離子物理研究所激光加速團(tuán)隊(duì)建議的先進(jìn)加速器平臺(tái)——北京激光加速創(chuàng)新中心項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱“中心”）入選了懷柔科學(xué)城第二批交叉平臺(tái)，并由北京大學(xué)原校長(zhǎng)陳佳洱院士擔(dān)任中心理事長(zhǎng)，飛秒激光發(fā)明人熱拉爾·穆魯教授擔(dān)任國(guó)際科學(xué)顧問。中心將建造短脈沖激光質(zhì)子加速器和短脈沖寬譜高亮度光源應(yīng)用裝置，打造國(guó)際領(lǐng)先的激光加速器創(chuàng)新平臺(tái)，支撐新一代光源預(yù)研，為未來國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施落地奠定基礎(chǔ)，并有望培育新型加速器產(chǎn)業(yè)。這一科學(xué)中心將基于重頻拍瓦飛秒激光裝置，建設(shè)拍瓦激光粒子加速器，將實(shí)現(xiàn)最高能量百兆電子伏以上的質(zhì)子束產(chǎn)生，并探索激光驅(qū)動(dòng)的高峰值流強(qiáng)粒子束（質(zhì)子）在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)針對(duì)緊湊型激光粒子放療系統(tǒng)開展關(guān)鍵技術(shù)研究，研發(fā)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵部件，搭建國(guó)產(chǎn)拍瓦激光系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)圍繞腫瘤治療的應(yīng)用示范目標(biāo)。該科學(xué)中心還將圍繞激光驅(qū)動(dòng)高能帶電離子束的產(chǎn)生及其在聚變能源、空間輻射模擬、生物輻照和超快粒子束應(yīng)用等方面開展開拓性研究，促進(jìn)激光加速器與能源、空間、生物以及材料等學(xué)科的交叉融合；也將建設(shè)完善的工藝支撐平臺(tái)，為科學(xué)研究提供有力支撐和保障，并形成產(chǎn)學(xué)研一體化的前沿陣地。
如今，北京激光加速創(chuàng)新中心的基建、裝修工程已全部完工，設(shè)備已全部進(jìn)場(chǎng)，完成了初步安裝。這里即將擁有世界上功率最高的1赫茲重頻2拍瓦激光裝置，它可以產(chǎn)生各種超快粒子束流。作為國(guó)際上最先進(jìn)的激光加速平臺(tái)之一，激光驅(qū)動(dòng)的超快束流可以應(yīng)用在多個(gè)前沿領(lǐng)域，對(duì)于腫瘤免疫治療、核電池、核鐘、能源和超快核物理等研究都將有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。
《光明日?qǐng)?bào)》（2023年11月23日 16版，作者：顏學(xué)慶 北京大學(xué)博雅特聘教授）
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
