超強超短激光裝置打造的“質子刀”，應該也能達到殺滅腫瘤細胞的效果，并有望大幅降低治療成本。
“要打好第一槍！”這幾天，中科院上海光學精密機械研究所的沈百飛團隊放棄高溫假，在上海超強超短激光實驗裝置試用5拍瓦級（1拍瓦=1千萬億瓦）激光脈沖，這是科研團隊首次用這么大功率的激光進行實驗。為此，他們日夜奮戰(zhàn)，力爭下周讓這個裝置加速產(chǎn)生高能質子束，并“打”在腫瘤細胞切片等樣品上。
與此同時，上海超強超短激光實驗裝置大樓內，還忙碌著其他許多科研人員。他們在安裝調試設備，確保今年底實現(xiàn)10拍瓦激光脈沖輸出，成為“世界第一”。
建設張江綜合性國家科學中心，是上海建設具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的核心任務。在這塊科研高地上，超強超短激光、上海光源、軟X射線自由電子激光等多個裝置正在建設或運行，全球最大的光子領域大科學設施群已雄姿初現(xiàn)，集中度和顯示度不斷提升。
激光“質子刀”有望治療癌癥
超強超短激光是人類已知的最亮光源，相當于把地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細的尺度。所謂“超強”，是激光脈沖峰值功率達到拍瓦級；所謂“超短”，是脈沖寬度達到數(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，能在實驗室里創(chuàng)造出類似于恒星內部、黑洞邊緣的極端條件，在許多科技領域有重要價值。
正因為此，歐盟的“極端光結構超高場設施”（ELI）計劃已啟動，在東歐三國建造3個10拍瓦級激光裝置。去年8月，中科院上海光機所研制的上海超強超短激光實驗裝置，在國際上率先實現(xiàn)了5拍瓦激光脈沖輸出。
這一世界最亮光源，到底有多強悍？沈百飛研究員領導的課題組成為了“嘗鮮者”。從上周起，他們開始為首次實驗做現(xiàn)場準備，計劃利用5拍瓦激光裝置，在飛秒至皮秒（1皮秒=1萬億分之一秒）時間內將質子束加速到幾十MeV（兆電子伏特），并打到實驗樣品上。“質子比電子重1837倍，用激光加速質子，就需要‘大馬力推動’，5拍瓦激光才能做到。”沈百飛解釋說。當然，傳統(tǒng)粒子加速器也能加速質子等微觀粒子，但通常要建公里級隧道，成本很高。超強超短激光裝置的造價則低得多，它產(chǎn)生的質子束、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。
沈百飛（左一）帶領團隊在上海超強超短激光實驗裝置工作。邵劍平 攝
即將被質子束射擊的實驗樣品中，腫瘤細胞切片與百姓健康息息相關。目前，質子、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。超強超短激光裝置打造的“質子刀”，應該也能達到殺滅腫瘤細胞的效果，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‘質子刀’。”沈百飛說。
高能X光看清發(fā)動機部件結構
與超強超短激光實驗裝置一樣，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裝置和用戶裝置建造工程，也在酷暑中進行。“現(xiàn)在，‘鸚鵡螺’這片區(qū)域可是大變樣了。”中科院上海應用物理研究所所長、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裝置，上海光源已累計為16000名用戶提供實驗機時和相應服務，在支撐我國基礎科學研究、關鍵技術研發(fā)、衛(wèi)生事件應對等方面發(fā)揮了積極作用。僅從論文這一指標看，上海光源用戶在《科學》《自然》《細胞》三大國際頂級期刊上發(fā)表論文近70篇，在其他高端學術期刊上發(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)動機噴油嘴里的燃油流動機理，預計能為汽車發(fā)動機節(jié)省能耗10%。”同濟大學汽車學院教授吳志軍充滿期待。據(jù)介紹，發(fā)動機燃油噴嘴的內部結構和機理決定了其性能。過去，技術研發(fā)人員通常憑經(jīng)驗優(yōu)化其結構；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構看得一清二楚，從而設計出“最優(yōu)”結構。
作為上海光源首批用戶之一，吳志軍團隊經(jīng)過多年研究，發(fā)明了一系列可控噴霧技術，已申請10余件專利。他們在與上汽、一汽等企業(yè)合作，推進科技成果產(chǎn)業(yè)化，還將這些技術應用于航空發(fā)動機。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，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，而且在時間分辨率上能做到百皮秒級“瞬間凍結”，讓科研人員得以研究噴油嘴里的燃油流動機理。
上海光源二期線站、軟X射線自由電子激光試驗裝置和用戶裝置正在建設。胡蔚成 攝
新一代大科學裝置能探知真空
酷熱的8月，不但多項大科學裝置工程在張江熱火朝天地進行，新一代大科學裝置的前期研究工作也在緊鑼密鼓地展開。一名科學家凌晨4時多還在回復記者短信，說他要參加這個項目的專家評審會。據(jù)透露，新一代大科學裝置建成后，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、生命及醫(yī)藥等領域的研究具有強大支撐能力。
“我們有一個雄心：未來，在世界上率先實現(xiàn)100拍瓦激光脈沖輸出，把它與新一代大科學裝置結合，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，有朝一日為人類所用。理論物理學家預言，強場中的真空具有量子電動力學（QED）效應。迄今為止，還沒有一個實驗能驗證這一預言。極端光物理線站建成后，科學家就能檢驗強場真空QED理論的真?zhèn)危街婵盏谋举|。
“極端”呢？它能夠把似乎空空如也的真空極化，變成一種介質，有朝一日為人類所用。理論物理學家預言，強場中的真空具有量子電動力學（QED）效應。迄今為止，還沒有一個實驗能驗證這一預言。極端光物理線站建成后，科學家就能檢驗強場真空QED理論的真?zhèn)危街婵盏谋举|。
在美國國家實驗室，流傳著一句話：“我們的科學家是在耀眼的‘陽光’下工作，其他許多國家的科學家則是在微弱的‘月光’下工作。”光的強度，對前沿科技探索確實是太重要了。如今，張江綜合性國家科學中心的大科學設施群也發(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)團隊，為前沿科技和經(jīng)濟社會重大需求問題提供長期、關鍵的支撐，讓創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。
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