[導讀]在距離香港一個多小時車程的廣東東莞，坐落著我國迄今為止單項投資規(guī)模最大的大科學工程——中國散裂中子源。這項“國之重器”由中國科學院和廣東省共同建設，它使得我國成為世界上第四個擁有散裂中子源的國家。
文｜中國散裂中子源工程總指揮、中國科學院院士 陳和生
在距離香港一個多小時車程的廣東東莞，坐落著我國迄今為止單項投資規(guī)模最大的大科學工程——中國散裂中子源。這項“國之重器”由中國科學院和廣東省共同建設，它使得我國成為世界上第四個擁有散裂中子源的國家。它在材料科學和技術、生命科學、物理、化學化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領域具有廣泛應用前景，將為我國產生高水平的科研成果提供有力支撐，并為解決國家發(fā)展戰(zhàn)略需求的許多瓶頸問題提供最先進的平臺。中國散裂中子源亦將成為廣東省正在建設的國家科技產業(yè)創(chuàng)新中心的核心單元，為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產業(yè)升級作出重大貢獻。
中子散射“探針”
同樣都是由“碳”元素構成的物質，金剛石和石墨的物理性質卻有很大的差別，原因是什么？閃閃發(fā)亮的金剛石是世界上最硬的材料之一，其碳元素按正四面體結構排列，如果換一種排列方式，便組成了我們日常使用的鉛筆芯的材料——石墨。由此看來，物質的結構決定了物質的性質。
如何觀察物質的微觀結構？在現代科學產生之前，人類用肉眼去觀察和理解世界。后來，科學家發(fā)明了光學顯微鏡，我們第一次看到了肉眼無法直接觀察到的細胞和細菌等微觀世界。而電子顯微鏡比光學顯微鏡的分辨率要高1,000倍左右，可以看到更小的病毒。人類對微觀世界的探索隨著技術手段的提高，越來越走向深入，“超級顯微鏡”散裂中子源應運而生。
中國散裂中子源航拍圖（圖：中國科學院高能物理研究所）
中子散射就像“探針”，是探索物質微觀結構的有力手段之一。中子和光一樣，具有波粒二象性，既有波的性質，可以反射、折射、衍射、吸收。也具有粒子的性質，可以彈射、散射等。中子由于不帶電，不易受到帶電質子和電子的阻礙，能比其他探測方式更為輕松地穿透物質。中子束打到被研究的樣品身上，大多數會不受任何阻礙穿過樣品，但有些中子會與研究對象的原子核發(fā)生相互作用，其運動方向也會發(fā)生改變，向四周“散射”開來。我們測量中子散射的軌跡及其能量和動量的變化，就可以精確地反推出物質的結構。
中子散射和我們熟悉的X射線類似。X射線散射對含電子數目多的原子敏感，但欲探測如氫原子等輕元素就十分困難了。中子散射則對原子核敏感，特別是對碳、氫、氧等原子核敏感，還可以區(qū)分同位素。研究含有大量氫、氧、氮原子的生物大分子，中子散射具有更佳的優(yōu)勢。
中子散射在日常生活中的應用非常廣泛，舉幾個例子：在能源材料領域，氫動力汽車無疑比以汽油為燃料的汽車更加節(jié)能環(huán)保。如何實現氫氣的穩(wěn)定儲存？我們希望把氫氣變成密度更高的固體。最簡單的辦法是給氫氣加壓，但有容易引發(fā)爆炸的危險。有其他辦法嗎？現代科學家用一種金屬-有機框架（MOF）材料，可以把氫氣吸進去，要用的時候再把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學家研究，氫氣在金屬的什么位置、什么情況下可以更好地釋放。
2017年8月28日，中國散裂中子源首次打靶成功獲得中子束流。圖為陳和生院士出束當天在靶站譜儀中控室指揮工作。（圖：中國科學院高能物理研究所）
中子散射是研究鋰電池的利器。大幅度地提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關鍵，可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設備放入中子散射譜儀，實時原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分性能的變化，為改進和優(yōu)化鋰電池的設計提供關鍵數據。國外的散裂中子源都建設了這樣專門研究鋰電池的譜儀，且嚴加保密。
中子散射可以對文物進行無損研究。例如想知道我國南北朝時期的佛像，其制造工藝是如何？顯然無法把文物大卸八塊進行分析。利用中子成像技術，可以看到佛像的中間有一根木制“主梁”。正是因為中子散射對輕的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳氫化合物，中子可以輕易地“看到”它?？茖W家也終于明白，這尊佛像的制造工藝和蓋房子很像，先在中間立一根木梁，在木梁周圍纏上“支撐架”，最終用黏土制成了佛像。
投資23億元建設“中子工廠”
既然中子散射的用處如此之大，科學家們如何獲得實驗用的中子？中子在正常狀態(tài)下，被原子核緊緊束縛著，并不能輕易地離開原子核；盡管自然界中存在自由中子，但這些中子的壽命很短，最多只能存在15分鐘，且不易收集。于是科學家們要建設一個類似于“中子工廠”的大科學裝置，源源不斷地產生中子。
產生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的“核反應堆”，利用鈾235的核裂變反應產生中子，但這種方式對于安全性是很大的威脅。科學家設計了第二種產生中子的裝置——散裂中子源。散裂中子源不使用核燃料，熱功率低，環(huán)境友好，成為了國際上先進中子散射源的發(fā)展趨勢。目前全世界擁有散裂中子源裝置的國家僅有英國、美國和日本。2000年，高能物理研究所和原子能研究院的幾位科學家正式向科技部提交了“多用途中子科學裝置——脈沖強中子源”建議書。
中國散裂中子源設備——靶站（圖：中國科學院高能物理研究所）
中國科學院積極支持建設中國散裂中子源。經過相關領域科學家的深入討論和研究，散裂中子源被列入了國家“十一五”的大科學裝置建設計劃。中科院物理研究所和高能物理研究所的科學家著手進行設計和預制研究，并開始尋找建設散裂中子源的地方。
2006年2月，我在廣州參加廣東省發(fā)改委舉行的一場研討會。我向省發(fā)改委的領導談到散裂中子源正在尋找合適的建設地點。省發(fā)改委領導向廣東省領導匯報，希望促進珠三角科學研究的發(fā)展，推動一些大型科研項目的實施。3月，廣東省和中國科學院的領導認為，可以把散裂中子源在珠三角找個地方落戶。5月，我們到廣東省發(fā)改委推薦的三個地方：珠海、廣州蘿崗和東莞實地考察。綜合各方面的條件，我們認為東莞最為合適。但東莞最初推薦的地點在松山湖，地基不合適（散裂中子源的靶站要求地基承重高達每平方米100噸），而且周圍難有發(fā)展空間。我們在Google地圖上看中了大朗鎮(zhèn)水平村的一塊地：背后靠山，前面是虎門到惠州的高速公路，交通方便，四周有發(fā)展空間。當我們向東莞市和松山湖的領導提出這塊地時，他們不相信有這塊地。我利用一個單位的前臺的計算機網線，在Google地圖演示了從松山湖到這塊地的路線。他們立即確認了這個地點。我們隨即去現場考察，發(fā)現它確實如Google地圖上看到的那樣位置合適，交通方便，而且當時是采石場，這表明這里基礎好。于是我們很快就定下了這個選址，并開始勘探等前期研究工作。前期的工作條件非常艱辛，我們有幾位老同志頻繁上山考察，開始前期工作，因為經費限制，租了輛拉魚車每天在工地上穿梭，那輛車晚上拉魚，白天載著他們去工地，所以大家下班后身上都一股魚腥味。
2011年10月，總投資23億元人民幣的中國散裂中子源裝置終于在廣東東莞奠基，工期6年半。2012年5月散裂中子源工程土建動工。散裂中子源裝置不僅造價高，而且技術復雜，是各種高、精、尖設備組成的整體。項目從2006年起開展了一系列關鍵技術的預制研究工作，攻克了眾多技術難題。各項設備的批量生產在全國近百家合作單位完成，許多設備的研制達到國內外先進水平，設備國產化率達到96%以上，有力地促進了我國相關領域高技術的發(fā)展。
散裂中子源裝置的工作原理是將質子加速到16億電子伏特，速度相當于0.9倍光速，把質子束當成“子彈”，去轟擊原子系數很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家便通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。散裂中子源的好處在于，加速質子使用的是高頻電磁場，只要切斷電源，質子就會立即停止轟擊金屬靶，不會有任何放射性污染且可控，因此是最安全的產生中子的方式。
中國散裂中子源設備——負氫離子直線加速器（圖：中國科學院高能物理研究所）
散裂中子源裝置不僅極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復雜，制造和安裝過程克服了重重困難。例如漂移管直線加速器，安裝的誤差不能超過0.05毫米，比一根頭髪絲還細；散裂中子源的“眼睛”——中子探測器，此前的核心技術掌握在國外，經過科研人員的攻關，目前已研發(fā)出擁有自主知識產權的探測器，各項性能達到國際一流水平。
快循環(huán)同步加速器的25Hz交流磁鐵在我國屬首次研制，其間遇到了超乎想象的技術挑戰(zhàn)，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發(fā)熱等都是以前經驗之外的新問題。我們請美、日研究所的專家專訪指點無起色，關鍵技術掌握在國外大公司手中，不可能對華交流。我們的科研人員與工廠技師聯(lián)合攻關，經過6年時間，改方案、換廠家，逐一攻破技術難關，終于靠自己的力量研制出合格的磁鐵。針對磁鐵磁場飽和，我們還創(chuàng)新性地提出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場同步問題，其效果優(yōu)于日本散裂中子源。
工程建設遇到的最大挑戰(zhàn)是加速器隧道等土建工程延誤了1年多，大大壓縮了設備安裝和調試的時間。整個工程能否按原定工期竣工驗收成為一個嚴峻的挑戰(zhàn)。工程領導決心“后墻不倒”，對國家承諾的竣工時間不能推遲，必須千方百計搶時間。采取的主要措施包括：將原定在隧道里測試老練的設備先在地面大廳安裝調試和老練，將通用設施的安裝與隧道土建施工交叉并行，這樣做大大增加工作量和工程調度的難度，并可能帶來事故的風險。建設人員經過幾百個日日夜夜的奮斗，終于趕回了工期。去年12月中旬舉行散裂中子源國際顧問委員會年度會議時，外國專家感嘆散裂中子源工程建設的“中國速度”：“難以想象你們在短短的一年完成了如此大量的工作。”
中國散裂中子源是三百多位建設人員經過十多年努力奮斗的成果，尤其是許多北京籍專家，他們舍小家為大家，克服了許多困難，每年超過三百天扎根在東莞。2017年8月28日，中國散裂中子源首次打靶成功獲得中子束流，取得里程碑式進展。散裂中子源將于今年春天竣工，爭取實現穩(wěn)定、可靠、高效的運行，向用戶開放。今年工程將通過國家驗收。
感謝張德江委員長和路甬祥院長十一年前富有遠見的決定，使散裂中子源落戶東莞，成為現在粵港澳大灣區(qū)國家科技產業(yè)創(chuàng)新中心的核心大科學裝置。
為粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新插上翅膀
散裂中子源支撐的學科研究和應用領域眾多，是目前國際上公認的、與大型光源互補，卻發(fā)揮著其無法取代作用的新一代科學研究和先進材料研發(fā)的主流大科學裝置。中國散裂中子源的成功建設，將為香港和澳門地區(qū)諸多學科的中子散射研究和應用提供重大發(fā)展機遇。散裂中子源落戶東莞后，港澳地區(qū)的許多大學“近水樓臺先得月”，已經開始吸引中子散射研究和應用的人才，建設相關的學科。香港城市大學和香港科技大學的主要領導先后訪問了散裂中子源，討論合作。香港城市大學與散裂中子源和東莞理工學院合作，正在建設多物理譜儀。中國科學院和香港裘槎基金從2015年開始支持散裂中子源和香港城市大學建立中子散射聯(lián)合實驗室，加速推動新增譜儀和其他中子散射交叉學科應用型裝置的建設。
中國散裂中子源的總體目標是建設我國在相關基礎科學和高技術領域的具備原始創(chuàng)新能力的團隊，促進我國科技、工業(yè)等方面技術的大力發(fā)展，至2030年，帶領我國中子散射技術的研究和應用科學界全面進入世界先進行列。實現這一目標主要從以下幾個方面著手：第一，充分發(fā)揮一期三臺譜儀，即通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀在材料科學、生命科學、凝聚態(tài)物理和化學等領域的作用，為廣大用戶提供國際先進的研究平臺。第二，中國散裂中子源下一階段譜儀的選擇及其性能指標應認真聽取用戶的意見，同時吸取國際先進經驗，突出譜儀的特色和優(yōu)勢，特別應結合華南地區(qū)，尤其是廣東、香港等地發(fā)展戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)和擴大中子散射用戶群體。第三，與用戶單位合作，利用各方面資源，積極推動用戶譜儀的建設。第四，中國散裂中子源靶站500kW升級將使中子通量水平提升五倍。中子通量增加后，可開展更小樣品的研究以及更短時間尺度的實時研究，并適度提升大部分譜儀的分辨率，大幅縮短高分辨模式實驗的時間，從而大幅提升中子散射譜儀的性能和研究能力。
散裂中子源的建成恰逢“大科學裝置的盛世”，裝置將肩負發(fā)展中國中子散射研究和應用的重任，及擔當國家科技產業(yè)創(chuàng)新中心的核心裝置重托。中國散裂中子源也必將推動粵港澳大灣區(qū)的建設與發(fā)展，打造國家創(chuàng)新發(fā)展的重要引擎。
中國散裂中子源設備——快循環(huán)質子同步加速器（圖：中國科學院高能物理研究所）
?。ㄔ陌l(fā)表于2018年2月號《紫荊》雜志）
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