激光“质子刀”治肿瘤!全球最大光子领域大科学设施群雄姿初现

时间: 2017-08-04 17:15:41浏览(773)评论(0)点赞(0)收藏(0)

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“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。

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”。

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。

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激光“质子刀”有望治疗癌症

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。

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310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。

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。

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。

高能X光看清发动机部件结构

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。

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。

“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。

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。

新一代大科学装置能探知真空

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。

“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。

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。

 

来源:《解放日报》   作者:俞陶然  

原文标题:《张江综合性国家科学中心:全球最大光子领域大科学设施群已雄姿初现  用最亮光源“照”出“世界第一”显示度   上海超强超短激光实验装置正调试设备,确保今年底实现10拍瓦激光脉冲输出》

 


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