廣東東莞的國家大科學(xué)工程——— 中國散裂中子源(CSNS)裝置內(nèi)的直線加速器

　　CSNS工程總指揮兼工程經(jīng)理陳和生

　　19年前的一天，德國一輛城際快車意外出軌，事故元兇是老化的車輪和因材料疲勞所產(chǎn)生的裂紋。查到這一原因的“偵探”，是位于英國的一臺“超級顯微鏡”———散裂中子源。其實(shí)，在東莞大朗鎮(zhèn)的地下，也藏著國內(nèi)首臺“超級顯微鏡”。8月2 8日，中國散裂中子源（CSNS）首次打靶成功獲得中子束流，這標(biāo)志著CSNS主體工程順利完工，進(jìn)入試運(yùn)行階段。CSNS工程總指揮兼工程經(jīng)理陳和生透露，預(yù)計(jì)2018年年春，CSNS正式對國內(nèi)外用戶開放。據(jù)介紹，這也是繼英、美、日之后世界第四臺脈沖散裂中子源，也將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源。

　　長啥樣？ 

　　散裂中子源裝置建在13米到18米深的地下 

　　坐落于東莞大朗鎮(zhèn)的中國散裂中子源，乍看只是幾棟銀灰色的建筑物。陳和生表示，工程“奧秘”在地下。散裂中子源裝置就建在13米到18米深的地下，工程主要建設(shè)內(nèi)容包括1臺8千萬電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、1臺16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、兩條束流運(yùn)輸線、1個(gè)靶站、首批建設(shè)的3臺譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程。CSNS一期工程束流功率為100kW，預(yù)留了進(jìn)一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升級空間。

　　日前，南都記者跟隨中科院工作人員進(jìn)入這個(gè)“巨無霸”進(jìn)行參觀，而參觀的路線就是中子產(chǎn)生的路線圖。第一站240米長的直線隧道。隧道位于地下18米，相當(dāng)于6層樓高，需要沿著樓梯步行而下。內(nèi)部開著空調(diào)，并無熱感，但是因?yàn)樵诘叵?，所以手機(jī)信號較弱，只有2G.地面有用黃線劃定的安全區(qū)域，與機(jī)器設(shè)備保持一定距離，參觀者需要嚴(yán)格遵守參觀規(guī)則。直線隧道內(nèi)主要放置的是8千萬電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器，黃色的裝置上布滿線路，雖然多但是整齊，在墻壁上則是供水供電的線路。在這個(gè)隧道內(nèi)完成以下步驟：離子源產(chǎn)生的負(fù)氫離子束流，通過射頻四極加速器聚束和加速后，由漂移管直線加速器把束流能量進(jìn)一步提高到8千萬電子伏特。

　　靶站還有相連接的譜儀 

　　環(huán)隧道控制室均位于地面層 

　　走過直線隧道后，需要爬上一個(gè)窄小的天橋后落地，腳下就是此次參觀的第二站環(huán)隧道。各類裝置呈圓形連接，周長228米。在這里，從直線加速器出來的負(fù)氫離子注入到快循環(huán)同步加速器中，通過剝離膜轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，旋轉(zhuǎn)近兩萬圈后，使束流達(dá)到最后能量16億電子伏特。環(huán)隧道的控制室位于地面層，工程人員通過自動化、智能化等設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行，及時(shí)反饋情況。束流在環(huán)隧道獲得足夠能量后，經(jīng)過傳輸線引出到了靶站，也就是參觀的第三站。

　　這是一棟獨(dú)立的建筑物，靶站還有相連接的譜儀，均位于地面上。在靶站，質(zhì)子束流撞擊鎢靶，釋放出中子，這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流，中子再經(jīng)慢化后與實(shí)驗(yàn)樣品發(fā)生散射，由中子散射譜儀探測，供用戶開展實(shí)驗(yàn)研究。CSNS規(guī)劃有20個(gè)譜儀的接口，首期因?yàn)榻?jīng)費(fèi)原因，僅設(shè)有3個(gè)，分別為通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀。陳和生透露，散裂中子源還將向國家申請二期工程建設(shè)，包括新建譜儀和將束流功率從100千瓦升級到500千瓦。

　　有啥用？ 

　　給高鐵、飛機(jī)“看病”還可以“炸死”癌細(xì)胞 

　　1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，導(dǎo)致101名乘客死亡，88人重傷，這是世界高鐵歷史上第一次嚴(yán)重的傷亡事故。事故元兇是老化的車輪和因材料疲勞所產(chǎn)生的裂紋，查到這一原因的“偵探”就是英國的散裂中子源。事實(shí)上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機(jī)使用的壽命和安全性。但是這個(gè)應(yīng)力看不到、摸不著，對它的研究成了避免類似災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機(jī)翼的剩余應(yīng)力，優(yōu)化機(jī)械加工工藝，使高鐵和飛機(jī)變得更安全舒適。

　　“我們預(yù)計(jì)一年按照300天運(yùn)行，水電費(fèi)約1億元，如果算上人員費(fèi)用，每年的運(yùn)行費(fèi)則是1.8億元”。CSNS加速器技術(shù)部負(fù)責(zé)人王生表示。這是一個(gè)不直接產(chǎn)生GDP的大型科學(xué)裝置，在材料科學(xué)和技術(shù)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，推動粵港澳大灣區(qū)科技核心的形成，珠三角地區(qū)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在籌備建設(shè)若干條用戶譜儀，經(jīng)濟(jì)價(jià)值難以估量。據(jù)了解，這個(gè)“超級顯微鏡”可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制及穩(wěn)定條件，為安全高效開采利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)。該裝置與民生也息息相關(guān)，比如用于食品輻照保鮮、醫(yī)療衛(wèi)生用品消毒滅菌等。中國散裂中子源已邁出產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的第一步。8月11日，中國科學(xué)院高能物理研究所與東陽光集團(tuán)宣布聯(lián)合攻關(guān)“硼中子俘獲治療項(xiàng)目”，讓中子與磞—10“碰撞”去“炸死”癌細(xì)胞。

　　設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到96%以上 

　　將為珠三角科技創(chuàng)新提供有力支持 

　　陳和生介紹，加速器、靶站和譜儀工藝設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國近百家合作單位完成，許多設(shè)備的研制達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到96%以上?！懊绹纳⒘阎凶釉唇ㄔO(shè)花了14億美元，我們只有18億元人民幣（國家批復(fù)）”。陳和生解釋，而另一方面，通過與國內(nèi)機(jī)構(gòu)的共同攜手和攻關(guān)，雙方推動國內(nèi)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，尤其是企業(yè)方面通過合作，感覺到技術(shù)發(fā)展和管理都有很大的進(jìn)步，因而散裂中子源建設(shè)的同時(shí)，也促進(jìn)了國內(nèi)技術(shù)提高。CSNS的建設(shè)涉及大量先進(jìn)技術(shù)，項(xiàng)目從2006年起開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)制研究工作，攻克了眾多技術(shù)難題。

　　當(dāng)初CSNS落地廣東，是基于優(yōu)化大型科學(xué)裝置在全國布局的考慮。當(dāng)前可以看到的是，CSNS可以為珠三角高新技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是促進(jìn)企業(yè)自主創(chuàng)新能力的提升，二是促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級與改造，三是引致新興產(chǎn)業(yè)的興起與飛躍?！按笮涂茖W(xué)裝置建設(shè)周期很長，至少10年甚至更長，現(xiàn)在形勢下，大力推進(jìn)大科學(xué)裝置建設(shè)，是建設(shè)科創(chuàng)中心的一個(gè)關(guān)鍵手段，不少省市是現(xiàn)在開始籌備，而廣東省在10年前就作出決定和部署，正好這個(gè)時(shí)間建成，將為珠三角的科技創(chuàng)新提供有力支持?！标惡蜕硎?，從發(fā)達(dá)國家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，以大科學(xué)工程為核心的科學(xué)園區(qū)，前沿基礎(chǔ)研究和高技術(shù)作為發(fā)動機(jī)和火車頭，將逐漸成為區(qū)域創(chuàng)新高地和經(jīng)濟(jì)增長極，對周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的輻射和拉動效應(yīng)，實(shí)踐越久、范圍越大、作用越顯著。

　　誰能用？ 

　　面向國內(nèi)外用戶開放 CSNS一般使用是免費(fèi)的 

　　2007年，CSNS正式落戶廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，規(guī)劃用地1000畝，首期用地400畝。項(xiàng)目預(yù)計(jì)總投資為23億元人民幣（其中國家批復(fù)投資18.8億元）。中科院高能物理研究所是該工程建設(shè)的法人單位，共建單位為中科院物理研究所。CSNS規(guī)劃20臺中子譜儀接口，首期建設(shè)了3個(gè)譜儀，分別為通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀。而按照國際經(jīng)驗(yàn)來看，未來CSNS將采取與用戶共建譜儀的方式進(jìn)行，更切合市場的需求。目前，作為建設(shè)“高水平理工科大學(xué)”的措施之一，東莞理工學(xué)院牽頭擬建1臺多物理譜儀；東莞材料基因高等研究院擬建1臺材料譜儀；南方科技大學(xué)準(zhǔn)備籌建1臺高壓譜儀；工信部五所擬建1臺大氣中子譜儀。

　　根據(jù)國內(nèi)用戶調(diào)查，CSNS項(xiàng)目目前已確定的首批用戶包括，中國科學(xué)院下屬9個(gè)研究所的70多個(gè)研究組，以及科學(xué)院以外的22所大學(xué)和中國原子能科學(xué)研究院、中國工程物理研究院等研究機(jī)構(gòu)的30多個(gè)研究組?！跋Ｍ槿堑拇髮W(xué)、企業(yè)能夠近水樓臺先得月”。陳和生表示，將中國散裂中子源放在華南地區(qū)，一方面是為優(yōu)化大科學(xué)裝置布局，另一方面也是加強(qiáng)與港澳同行合作，面向東南亞地區(qū)用戶開放。CSNS一般使用是免費(fèi)的，但是企業(yè)需要提交使用申請。陳和生表示，“由專家評審國內(nèi)外用戶提交的試驗(yàn)申請，分配多長的時(shí)間，國內(nèi)國外用戶沒有區(qū)分，誰水平高就誰可以做”。當(dāng)前不少機(jī)構(gòu)對CSNS產(chǎn)生興趣，如香港城市大學(xué)教授曾是美國散裂中子源譜儀的研究者，也希望跟CSNS合作。香港科技大學(xué)的校方一年多前就到CSNS考察，最快的一個(gè)是廣東東陽光集團(tuán)。

　　　科普 

　　“超級顯微鏡”如何“看到”微觀世界 

　　散裂中子源的出現(xiàn)，讓人類能更清楚地“看到”微觀世界，因而有“超級顯微鏡”之稱。那么散裂中子源如何測量微觀世界呢？在了解散裂中子源工作原理之前，先來認(rèn)識一下中子。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，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。

　　研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì) 

　　中子散射是理想探針之一 

　　當(dāng)中子入射到樣品上時(shí)，與樣品的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化，可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律，告訴人們原子和分子的位置及其運(yùn)動狀態(tài)。這種研究手段稱之為中子散射技術(shù)。如果再形象一點(diǎn)的話，可以假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，將不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運(yùn)動軌跡記錄下來，就能大致推測出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)。

　　由于中子不帶電、具有磁矩、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)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一，是多學(xué)科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動的強(qiáng)有力手段。中子散射，可以說是微觀世界研究利器。而要用中子作為探針去做各種各樣的研究，就必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉础Ｈ绾潍@得產(chǎn)生高通量中子的中子源，一直是科學(xué)家不斷努力追求的目標(biāo)。

　　散裂中子源適合測量大動量（能量）范圍里的散射截面 

　　當(dāng)前高通量的中子源，包括反應(yīng)堆中子源和散裂中子源。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，每次核裂變產(chǎn)生一個(gè)有效中子，而釋放180MeV的熱量。堆芯中如此大量的熱量必須及時(shí)有效地帶出，才能保證反應(yīng)堆正常運(yùn)行。正是因?yàn)槎研旧釛l件的限制，反應(yīng)堆中子通量在上世紀(jì)六、七十年代達(dá)到了飽和。隨著科技的進(jìn)步，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量，迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生。

　　與核反應(yīng)堆中子源相比，散裂中子源具有許多獨(dú)特性能：高脈沖通量，豐富的高能短波中子，優(yōu)越的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)。散裂中子源的脈沖特性，可以同時(shí)利用幾乎所有波長的中子，適合測量大動量（能量）范圍里的散射截面，全面反映結(jié)構(gòu)和動態(tài)信息。正因?yàn)樯⒘阎凶釉吹倪@些獨(dú)特的性能，以及國際社會對安全評估要求越來越嚴(yán)，發(fā)達(dá)國家普遍利用散裂中子源進(jìn)行中子散射研究。雖然中子是如此微小，但產(chǎn)生強(qiáng)中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。

　　揭秘 

　　為何會選址東莞？地理位置優(yōu)越 大朗具有穩(wěn)定可承重的地質(zhì)結(jié)構(gòu) 

　　CSNS從2005年、2006年就開始選址，從北京一直到廣東，最開始圈定在廣州、珠海和東莞三個(gè)當(dāng)中，最終中科院選擇了東莞大朗，自此開啟了CSNS的建設(shè)路。

　　陳和生介紹，首先是優(yōu)化我國大科學(xué)裝置的布局，這是首次在我國華南地區(qū)建設(shè)的大科學(xué)裝置，增強(qiáng)我國南方省份的科研創(chuàng)新能力，可以將中國科學(xué)院在基礎(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高技術(shù)研發(fā)方面的雄厚實(shí)力，與珠三角地區(qū)強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力相結(jié)合，推動南方各省在大科學(xué)裝置上開展基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究，提高技術(shù)研發(fā)水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

　　其次，東莞本身地理位置非常優(yōu)越，處于廣州、深圳、香港、澳門等城市的中心，同時(shí)面向東南亞的用戶，擴(kuò)展性強(qiáng)；另外，東莞大朗鎮(zhèn)具有穩(wěn)定、可承重的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，具體到選址地，東、西、南三面為丘陵，符合建設(shè)散裂中子源的要求。例如靶站地基年不均勻沉降率不超過0.2mm，這是此類大科學(xué)裝置的必備條件。

　　安全如何保障？環(huán)境劑量被控制在國家標(biāo)準(zhǔn)的十分之一以內(nèi)

　　對于普通市民而言，最關(guān)心的莫過于安全問題，CSN S是否有輻射，地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害是否影響裝置的穩(wěn)定性等?！吧⒘阎凶釉床皇呛搜b置，所以沒有核原料?！敝袊⒘阎凶釉垂こ探?jīng)理、中國科學(xué)院院士陳和生表示，散裂中子源作為一臺大型射線裝置，產(chǎn)生的輻射是瞬發(fā)性，輻射比反應(yīng)堆中子源低5-6個(gè)量級，只要加速器一停機(jī)，輻射場即消失，同時(shí)不再引起空氣、冷卻水以及土壤的活化。

　　另在CSNS的輻射防護(hù)設(shè)計(jì)中，按照國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，中國散裂中子源隧道屏蔽設(shè)計(jì)為厚度0.5米至1.5米的混凝土，隧道入口采用迷宮結(jié)構(gòu)或鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)門。通過上述設(shè)計(jì)，把環(huán)境劑量控制在國家標(biāo)準(zhǔn)的十分之一以內(nèi)?！霸谶@個(gè)裝置周邊生活一年所受的輻照劑量，與坐一次長途飛機(jī)相當(dāng)。”陳和生表示。

　　抗震方面，采取抗7級地震標(biāo)準(zhǔn)，且翻查資料東莞大朗區(qū)域200年間歷史，地震均不超過5級，倘若發(fā)生地震，散裂中子源機(jī)器便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，輻射場即消失。而工程人員最擔(dān)心的是臺風(fēng)，但是從當(dāng)前來看，臺風(fēng)到東莞的概率較小。

　　觀察 

　　東莞規(guī)劃籌建中子科學(xué)城 

　　9月1日，中國散裂中子源首次打靶成功的新聞發(fā)布會上，東莞副市長黃慶輝表示，東莞市通過借鑒國內(nèi)外大科學(xué)裝置的相關(guān)做法以及啟示，結(jié)合在國家自主創(chuàng)新示范區(qū)和廣深科技創(chuàng)新走廊的視野下，規(guī)劃建設(shè)東莞中子科學(xué)城，打造為國內(nèi)領(lǐng)先、世界聞名的國家綜合性科技創(chuàng)新中心和面向全國全球的創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展新高地。

　　東莞中子科學(xué)城規(guī)劃范圍，由松山湖南部片區(qū)、大朗象山片區(qū)、散裂中子源及生態(tài)綠地等三部分構(gòu)成，總面積約為45.7平方公里。其中，松山湖南部片區(qū)北、西至松木山水庫岸線，南至松山湖園區(qū)邊界線，東至莞深高速，現(xiàn)狀主要以總部基地和研發(fā)用地為主，總面積約8.9平方公里。大朗象山片區(qū)為環(huán)湖路、虎崗高速、莞深高速圍合的地區(qū)，現(xiàn)狀主要以舊村和舊廠房為主，總面積約為11.8平方公里。散裂中子源及生態(tài)綠地為虎崗高速以南、巍峨山以北地區(qū)，現(xiàn)狀以大科學(xué)裝置及生態(tài)山林為主，總面積約25平方公里。

　　“中國散裂中子源與其他散裂中子源的最基本區(qū)別是，其他的中子源周邊沒有產(chǎn)業(yè)，只有CSNS坐落在產(chǎn)業(yè)大市，東莞希望建設(shè)中子科學(xué)城，發(fā)展高端前沿的技術(shù)，將基礎(chǔ)和應(yīng)用結(jié)合”。黃慶輝介紹，東莞對CSNS的建設(shè)寄予厚望，CSNS將于明年3月驗(yàn)收，常年保持600名左右的科學(xué)家搞研究，而中子科學(xué)城能集聚8萬到10萬科研人才集聚，他們將在東莞這一片土地上做各種基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

　　據(jù)了解，散裂中子源已被列入東莞市重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施“鯤鵬計(jì)劃”。同時(shí)東莞也爭取建設(shè)同步輻射光源等大型科學(xué)裝置，計(jì)劃通過大型科學(xué)裝置的輻射作用和虹吸效應(yīng)，吸引大量的研發(fā)機(jī)構(gòu)、高新技術(shù)企業(yè)落戶到東莞，在東莞這一片土地上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的經(jīng)濟(jì)引擎，在粵港澳大灣區(qū)城市群競合中，占據(jù)有利的位置。