中國(guó)散裂中子源：“火眼金睛”探究微觀世界

在廣東東莞市大朗鎮(zhèn)一片郁郁蔥蔥的荔枝林里，坐落著我國(guó)重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置——中國(guó)散裂中子源（CSNS）。歷經(jīng)10多年籌備、6年多的建設(shè)和大半年時(shí)間的開(kāi)放運(yùn)行，這個(gè)有“超級(jí)顯微鏡”之稱(chēng)的“國(guó)之重器”，迎來(lái)了碩果累累的收獲季節(jié)。

中國(guó)散裂中子源由中國(guó)科學(xué)院和廣東省共同建設(shè)，它使我國(guó)成為世界上第四個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國(guó)家。它在諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，將對(duì)我國(guó)探索前沿科學(xué)問(wèn)題、攻克產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)、解決“卡脖子”問(wèn)題等具有重要意義。它亦將成為正在建設(shè)的粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的核心單元，為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)作出重大貢獻(xiàn)。

深入討論 反復(fù)研究

2018年8月23日，中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、著名物理學(xué)家李政道獲悉后，給中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)散裂中子源工程總指揮陳和生發(fā)來(lái)祝賀，并衷心希望祖國(guó)科學(xué)家利用散裂中子源做出世界一流實(shí)驗(yàn)成果，為發(fā)展先進(jìn)科技立功。

事實(shí)上，李政道先生對(duì)中國(guó)散裂中子源工程一直非常關(guān)注，早在本世紀(jì)初醞釀立項(xiàng)之時(shí)，便向國(guó)家有關(guān)部門(mén)推薦該項(xiàng)目，積極推動(dòng)立項(xiàng)。楊振寧先生同樣對(duì)中國(guó)散裂中子源十分關(guān)心，曾在今年2月份專(zhuān)程前往東莞訪問(wèn)。老一輩科學(xué)家為何對(duì)散裂中子源寄予如此期望？因?yàn)樗麄兩钪骸翱匆?jiàn)”是探索未知的強(qiáng)大力量。

陳和生院士曾講過(guò)這樣一件事。1998年6月份，德國(guó)一輛城際快車(chē)意外出軌，傷亡慘重。最終調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故的元兇竟然是老化的車(chē)輪。發(fā)現(xiàn)這個(gè)元兇的就是英國(guó)的散裂中子源。陳和生解釋?zhuān)瑹o(wú)論是高鐵輪軌，還是飛機(jī)渦輪、機(jī)翼里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機(jī)的使用壽命和安全性。但是，這個(gè)應(yīng)力我們看不到、摸不著，對(duì)它的研究成了避免類(lèi)似災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上研究剩余應(yīng)力，使高鐵和飛機(jī)變得更安全。

散裂中子源是如何成為探索微觀世界的“超級(jí)顯微鏡”的？這要從微小而神奇的中子說(shuō)起。

眾所周知，X射線能拍攝人體的醫(yī)學(xué)影像。同時(shí)，在材料學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，科學(xué)家們也希望有一種工具，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)。中子散射技術(shù)就是這樣一種強(qiáng)有力的工具，能研究諸如DNA、蛋白質(zhì)、飛機(jī)材料等內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

陳和生告訴記者，中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。由于中子不帶電、穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一。

例如，在能源材料領(lǐng)域，氫動(dòng)力汽車(chē)無(wú)疑比以汽油為燃料的汽車(chē)更加節(jié)能環(huán)保。如何實(shí)現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定儲(chǔ)存？科學(xué)家希望把氫氣變成密度更高的固體。最簡(jiǎn)單的辦法是給氫氣加壓，但存在容易引發(fā)爆炸的危險(xiǎn)。還有其他辦法嗎？科學(xué)家用一種金屬-有機(jī)框架（MOF）材料，可以把氫氣吸進(jìn)去，要用的時(shí)候再把氫氣釋放出來(lái)。中子散射能幫助科學(xué)家研究氫氣在金屬的什么位置、什么情況下可以更好地釋放。

中子散射還是研究鋰電池的利器。大幅度提高鋰電池的性能是電動(dòng)汽車(chē)推廣的關(guān)鍵，可以將鋰電池連同原位充放電設(shè)備放入中子散射譜儀，實(shí)時(shí)原位測(cè)量在幾百次充放電的過(guò)程中，鋰電池各個(gè)部分微觀結(jié)構(gòu)和性能的變化，為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

既然中子散射的用處如此之大，如何獲得實(shí)驗(yàn)用的中子？科學(xué)家們想到要建設(shè)一個(gè)類(lèi)似于“中子工廠”的大科學(xué)裝置，源源不斷地產(chǎn)生中子，這就是散裂中子源。

之前，世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源只有英國(guó)的ISIS、美國(guó)的SNS和日本的J-PARC。中國(guó)科學(xué)家意識(shí)到，只有建設(shè)自己的散裂中子源，才能擁有自己的“火眼金睛”，不需要依賴(lài)別人的“眼睛”去探索微觀世界。

建設(shè)中國(guó)散裂中子源的建議，起源于上世紀(jì)90年代末期關(guān)于中國(guó)高能物理發(fā)展戰(zhàn)略的研究。中科院高能物理研究所和中國(guó)原子能研究院的老科學(xué)家們指出了建設(shè)散裂中子源對(duì)國(guó)家科技發(fā)展的必要性。1999年9月份，高能物理研究所與原子能研究院向科技部提交建設(shè)散裂中子源的建議。2000年8月份，兩家單位正式提出國(guó)家重大科學(xué)工程——“多用途中子科學(xué)裝置脈沖強(qiáng)中子源”項(xiàng)目建議文件。

經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的深入討論和研究，散裂中子源被列入了國(guó)家“十一五”大科學(xué)裝置建設(shè)計(jì)劃。中科院高能物理研究所和物理研究所的科學(xué)家們開(kāi)始著手設(shè)計(jì)和預(yù)制研究。

2011年10月份，總投資23億元的中國(guó)散裂中子源裝置終于在廣東東莞奠基。

中國(guó)速度 中國(guó)跨越

深入地下17米處的CSNS加速器隧道，我們得以窺見(jiàn)這個(gè)“龐然大物”的真面目——它包括1臺(tái)8000萬(wàn)電子伏特的直線加速器、1臺(tái)16億電子伏特的快循環(huán)同步加速器、1個(gè)靶站，以及一期3臺(tái)供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀等。

“散裂中子源裝置不僅造價(jià)高，而且技術(shù)復(fù)雜，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。”中科院高能物理研究所東莞分部（中國(guó)散裂中子源）副主任梁天驕介紹，裝置的工作原理是將質(zhì)子加速到16億電子伏特，速度達(dá)到0.93倍光速，把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬鎢靶，鎢原子核被撞擊出大量中子，科學(xué)家便通過(guò)特殊裝置利用中子，開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)。

CSNS的建設(shè)攻克了許多核心技術(shù)難題。裝置各項(xiàng)設(shè)備的研制在全國(guó)近百家合作單位完成，許多設(shè)備的研制達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上。

事實(shí)上，CSNS的建設(shè)過(guò)程可謂排除萬(wàn)難，從關(guān)鍵核心技術(shù)的掌握到設(shè)備安裝、工程管理，歷經(jīng)重重挑戰(zhàn)。

例如，快循環(huán)同步加速器的25Hz交流磁鐵在我國(guó)屬首次研制，期間遇到了超乎想象的技術(shù)挑戰(zhàn)，鐵芯和線圈的振動(dòng)開(kāi)裂、渦流發(fā)熱都是以前經(jīng)驗(yàn)之外的新問(wèn)題?！拔覀兿蛎绹?guó)、日本研究所專(zhuān)家請(qǐng)教，但他們只懂科學(xué)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵技術(shù)掌握在國(guó)外大公司手中，不可能告訴我們?！敝袊?guó)散裂中子源工程副經(jīng)理、加速器技術(shù)部主任傅世年回憶。

于是，科研人員與工廠工程師咬緊牙關(guān)聯(lián)合攻關(guān)，6年間經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次失敗，改方案、換廠家，逐一攻破技術(shù)難關(guān)，終于靠自己的力量研制出合格的磁鐵。針對(duì)磁鐵磁場(chǎng)飽和這一難題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了諧振電源的諧波補(bǔ)償方法，解決了多臺(tái)磁鐵之間的磁場(chǎng)同步問(wèn)題，其效果優(yōu)于日本散裂中子源。

工程建設(shè)中遇到的最大挑戰(zhàn)，來(lái)自加速器隧道土建過(guò)程中發(fā)生的一次意外。2014年4月份，連續(xù)幾天的大暴雨讓加速器隧道嚴(yán)重滲水。要徹底解決滲水問(wèn)題，必須在隧道外再建造一層防水隧道，這讓土建工程延誤了1年多，大大壓縮了設(shè)備安裝和調(diào)試時(shí)間。

整個(gè)工程能否按原定工期竣工驗(yàn)收？面對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，工程領(lǐng)導(dǎo)決心“后墻不倒”，對(duì)國(guó)家承諾的竣工時(shí)間不能推遲，必須千方百計(jì)搶時(shí)間。

當(dāng)時(shí)采取的主要措施是，將原定在隧道里測(cè)試?yán)暇毜脑O(shè)備先在地面大廳安裝調(diào)試和老練，將通用設(shè)施的安裝與隧道土建施工交叉并行。這樣做大大增加了工作量和工程調(diào)度的難度，并可能帶來(lái)事故風(fēng)險(xiǎn)。但工程團(tuán)隊(duì)毫不畏懼，經(jīng)過(guò)幾百個(gè)日日夜夜的奮戰(zhàn)，終于趕回了工期?！斑B除夕夜我們都是在隧道里度過(guò)的?！被貞浧鹉嵌稳兆樱凳滥甑恼Z(yǔ)氣中滿(mǎn)是自豪。

在散裂中子源國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)年度會(huì)議上，外國(guó)專(zhuān)家感嘆散裂中子源工程建設(shè)的“中國(guó)速度”：“難以想象你們?cè)诙潭痰囊荒陜?nèi)完成了如此大量的工作?！?/p>

2017年8月28日上午10時(shí)，CSNS靶站譜儀控制室內(nèi)，科研人員凝視著屏幕，緊張待命。在陳和生一聲指令后，從加速器引出的質(zhì)子束流首次打向金屬鎢靶，順利獲得中子束流。在場(chǎng)的工程人員激動(dòng)地見(jiàn)證了這歷史性的一刻——中國(guó)散裂中子源首束中子產(chǎn)生，進(jìn)入試運(yùn)行！

2018年秋天，中國(guó)散裂中子源全部工程建設(shè)任務(wù)高質(zhì)量完成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，建成國(guó)際先進(jìn)水平的散裂中子源裝置。

中國(guó)散裂中子源國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為，其性能全部達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。同時(shí)認(rèn)為，中國(guó)散裂中子源通過(guò)自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術(shù)成果，顯著提升了我國(guó)在高功率散裂靶、磁鐵、電源、探測(cè)器及電子學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力，使我國(guó)在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大跨越。

創(chuàng)新引擎 不負(fù)盛世

2018年9月份，中國(guó)散裂中子源正式對(duì)全球用戶(hù)開(kāi)放，開(kāi)始用成果回饋社會(huì)。

“對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶(hù)沒(méi)有區(qū)分，一視同仁?！标惡蜕榻B，用戶(hù)提交申請(qǐng)后，由專(zhuān)家組成的評(píng)委會(huì)將依據(jù)可行性與先進(jìn)性分配實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

在距東莞僅一個(gè)半小時(shí)車(chē)程的香港地區(qū)，許多大學(xué)“近水樓臺(tái)先得月”，很快展開(kāi)了相關(guān)研究。前不久，香港大學(xué)副教授黃明欣和自己的博士生一起前來(lái)，做了一項(xiàng)有關(guān)高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)。“太方便了，就像在自家門(mén)口?！秉S明欣說(shuō)，他所研究的高強(qiáng)鋼是汽車(chē)應(yīng)用的研究重點(diǎn)，既需要輕量化，又要提升汽車(chē)安全性。在此前的實(shí)驗(yàn)中，他曾向日本散裂中子源申請(qǐng)機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟，然后把材料寄到日本。等待對(duì)方做好實(shí)驗(yàn)之后，再把數(shù)據(jù)傳回來(lái)。而今，他不再需要漫長(zhǎng)的等待，在“家門(mén)口”就可以獲取所需重要參數(shù)信息。

“CSNS啟動(dòng)運(yùn)行后，已收到國(guó)內(nèi)外百余團(tuán)隊(duì)用戶(hù)實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)，上機(jī)時(shí)間供不應(yīng)求。首輪開(kāi)放運(yùn)行期間，3臺(tái)用戶(hù)譜儀共完成了40項(xiàng)用戶(hù)課題，取得了重要成果。”梁天驕介紹，已完成的課題覆蓋新型儲(chǔ)氫材料、鋰離子電池、新型超導(dǎo)材料、太陽(yáng)能電池薄膜、軟物質(zhì)、高性能金屬玻璃等研究?jī)?nèi)容，為解決新能源、新材料等諸多領(lǐng)域的微觀機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)提供了強(qiáng)有力的支持。

今年2月份公布的《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，向全世界展示了我國(guó)建設(shè)粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的宏偉藍(lán)圖。中國(guó)散裂中子源作為粵港澳大灣區(qū)首個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，正有力推動(dòng)大灣區(qū)科技核心的形成，為實(shí)現(xiàn)這一美好藍(lán)圖插上了翅膀。

依托散裂中子源，東莞松山湖高新區(qū)正規(guī)劃建設(shè)53.3平方公里的中子科學(xué)城，打造世界級(jí)科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施集群?！澳壳埃瑖@散裂中子源集聚的科研平臺(tái)正有序推進(jìn)。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室一期方案已基本穩(wěn)定，中科院物理所珠三角分部、粵港澳交叉科學(xué)研究中心已掛牌，成功招引首批10個(gè)高水平科研團(tuán)隊(duì)，南方光源項(xiàng)目已開(kāi)展預(yù)制研究。我們將全力推動(dòng)中子科學(xué)城與深圳光明科學(xué)城、港深落馬洲河套地區(qū)攜手共建綜合性國(guó)家科學(xué)中心。”談到散裂中子源帶來(lái)的機(jī)遇，東莞松山湖高新區(qū)黨工委副書(shū)記、管委會(huì)主任歐陽(yáng)南江充滿(mǎn)期待。

發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，以大科學(xué)工程為核心的科學(xué)園區(qū)將前沿基礎(chǔ)研究和高技術(shù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)和火車(chē)頭，逐漸發(fā)展成為區(qū)域創(chuàng)新高地和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極。它對(duì)周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的輻射和拉動(dòng)效應(yīng)是時(shí)間越久，范圍越大、作用越顯著。

“我們期待將國(guó)家大科學(xué)工程的強(qiáng)大科技輻射力與珠三角強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力結(jié)合起來(lái)，為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)作出重大貢獻(xiàn)?！标惡蜕f(shuō)。事實(shí)上，散裂中子源正在惠及大灣區(qū)內(nèi)眾多創(chuàng)新型企業(yè)。在松山湖高新區(qū)內(nèi)，已經(jīng)有企業(yè)成為散裂中子源相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的首批用戶(hù)，相關(guān)研究取得了重要實(shí)驗(yàn)成果。

展望未來(lái)，隨著中國(guó)散裂中子源下一階段更多用戶(hù)譜儀的建設(shè)，其作為國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展引擎的作用將愈加凸顯。

據(jù)介紹，除了首批建成的3臺(tái)譜儀，目前正在積極籌劃“十四五”國(guó)家支持的后續(xù)譜儀建設(shè)項(xiàng)目，推動(dòng)與粵港澳大灣區(qū)內(nèi)相關(guān)大學(xué)和科研院所合作共建譜儀的建設(shè)。規(guī)劃的20臺(tái)譜儀全部建成后，將分別用于材料科學(xué)、生物醫(yī)藥、電子信息、機(jī)械制造等領(lǐng)域，不僅可為相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造提供支撐，更可帶動(dòng)粵港澳大灣區(qū)引入大量新興產(chǎn)業(yè)資源，如新型功能性材料產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、硼中子俘獲治癌、環(huán)境監(jiān)測(cè)等，推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)的興起和飛躍。

參與建設(shè)的專(zhuān)家們信心十足地表示，中國(guó)散裂中子源建成恰逢“大科學(xué)裝置的盛世”，將肩負(fù)發(fā)展中國(guó)中子散射研究和應(yīng)用的重任，擔(dān)當(dāng)國(guó)家科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心的核心裝置重托，打造國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的重要引擎。

不管多難，從不埋怨

2004年，我開(kāi)始全時(shí)參加到散裂中子源工作中，主要從事靶站相關(guān)工作。靶站是散裂中子源產(chǎn)生中子的部分，相比之前我國(guó)已經(jīng)有一些積累的質(zhì)子加速器、中子譜儀等其他核心部分，靶站是國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)與研制，可以說(shuō)是從無(wú)到有，整個(gè)過(guò)程相當(dāng)不易。

困難首先是在設(shè)計(jì)上。靶站設(shè)計(jì)涉及強(qiáng)輻射環(huán)境下的物理、熱工、機(jī)械、材料、屏蔽、低溫、水冷、控制與遙控維護(hù)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)條件，我們?cè)诎姓驹O(shè)計(jì)時(shí)碰到了很多問(wèn)題，技術(shù)方案、參數(shù)難以抉擇。在確定靶站設(shè)計(jì)方案過(guò)程中，我親歷了技術(shù)方案3次大調(diào)整，每一次調(diào)整都需要大量的時(shí)間和精力重新計(jì)算和設(shè)計(jì)，但這也使我對(duì)不同專(zhuān)業(yè)方向有了更深入的理解。

除了設(shè)計(jì)，工程上也困難重重。與我之前單純做科研不同，散裂中子源具有科研和工程的雙重屬性，既要考慮物理性能的先進(jìn)性，也必須要考慮工程上的可實(shí)現(xiàn)性、工期和經(jīng)費(fèi)預(yù)算。靶站的大部分設(shè)備都是在國(guó)內(nèi)首次研制，技術(shù)和工藝上的挑戰(zhàn)很多，我們通過(guò)樣機(jī)研制突破關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)物理設(shè)計(jì)與工程設(shè)計(jì)、加工工藝多次迭代不斷優(yōu)化，提升了性能。

同時(shí)，散裂中子源是一項(xiàng)異地建設(shè)工程，我們?cè)S多同事都遇到了異地工作、長(zhǎng)期與家人分離的難題。去年春節(jié)，為了保障工程如期竣工驗(yàn)收，散裂中子源的同事們都沒(méi)有放假，堅(jiān)守在緊張的調(diào)試工作崗位。2011年工程開(kāi)工時(shí)，孩子剛上初中，我大部分時(shí)間在東莞，每年在北京不到3個(gè)月，對(duì)孩子功課的輔導(dǎo)主要通過(guò)電話和微信。在我們獲得第一束中子那天，孩子已經(jīng)上大學(xué)了。

但是，無(wú)論經(jīng)歷多少困難，大家都不會(huì)有怨言。對(duì)于科學(xué)界做大裝置的人來(lái)說(shuō)，這些都已習(xí)慣了。事實(shí)上，能夠參加到這樣一項(xiàng)服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略需求的大科學(xué)工程中，我感到非常難得。我清楚地記得2017年8月28日首次獲得中子束流那天，感覺(jué)是多么興奮、多么自豪。之前我們預(yù)想過(guò)可能發(fā)生的很多意外情況，外國(guó)專(zhuān)家也講“你們要有心理準(zhǔn)備，說(shuō)不定好幾天都看不到中子”，但沒(méi)想到非常順利，一次就成功了！

建設(shè)中國(guó)自己的散裂中子源，是許多老一代科學(xué)家一直以來(lái)的夢(mèng)想。在他們的帶領(lǐng)下，在幾代人的共同努力下，我們終于實(shí)現(xiàn)了這個(gè)夢(mèng)想。