8月中旬，廣東東莞。天氣時(shí)晴時(shí)雨，空氣潮濕悶熱，郁郁蔥蔥的荔枝林里，我國迄今為止已建成的、單項(xiàng)投資規(guī)模最大的大科學(xué)工程——中國散裂中子源正在進(jìn)行暑期停機(jī)檢修。
2018年8月23日，中國散裂中子源項(xiàng)目通過國家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。從那時(shí)起，這片昔日的荔枝林里，人氣就起來了。這里的年均公眾參觀訪問量超1萬人次，最火爆的一次線下科普活動中，科研人員半天里就接待了6000人次，前來參觀的小汽車一直從中國散裂中子源的大門口排到高速路口。不僅如此，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界對中國散裂中子源機(jī)時(shí)的競爭也很激烈，項(xiàng)目申請書逐年成倍增加，以至于每100份申請書中，只有29份能成功。
這臺已運(yùn)行4年的大裝置為何如此“火爆”？趁著停機(jī)檢修，《中國科學(xué)報(bào)》記者深入實(shí)地一探究竟。
紅的、綠的、藍(lán)的、黃的……
好看：五彩斑斕的“黑科技”
每年，中國散裂中子源都會放“暑假”，停機(jī)時(shí)間長達(dá)一個(gè)半月到兩個(gè)月，這段時(shí)間，科研人員要給裝置做“保養(yǎng)”。
中國散裂中子源是由國家發(fā)改委立項(xiàng)支持建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，法人單位是中國科學(xué)院高能物理研究所。這個(gè)裝置讓中國成為繼英國、美國、日本后世界第四個(gè)擁有脈沖散裂中子源的國家。
散裂中子源常被比作“超級顯微鏡”，因?yàn)樗軌蛴眉铀倨骷铀儋|(zhì)子打到靶上產(chǎn)生的中子，來探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。
它的源頭——加速器系統(tǒng)，像臥龍一般，藏在地下。
地下17米，空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)讓原本濕熱的空氣變得干爽。沿著亮綠色走道向前，人們能看見一個(gè)五彩斑斕的“黑科技”世界。
黃色的是可以讓粒子“飛奔”起來的漂移管直線加速器系統(tǒng)，藍(lán)色的是可以把粒子聚成一束的四極磁鐵，紅色的是可以讓粒子以15度角“拐彎”的二極磁鐵……
它們先是串成一條長串，之后又圍出一個(gè)大環(huán)。長串部位是直線加速器，環(huán)形部位是快循環(huán)同步加速器?？此讫嫶蟊恐氐难b備，安裝精度要達(dá)到10微米到百微米級別，使得自然界微小的物質(zhì)-質(zhì)子，能夠按要求得到控制并加速。
一旦運(yùn)行起來，每1秒鐘，快循環(huán)加速器會像旅游大巴一樣“接待”25波等待加速的負(fù)氫離子。每波負(fù)氫離子“上車”后，會轉(zhuǎn)換為質(zhì)子，并在0.02秒里沿著快循環(huán)同步加速器跑約20000圈，直到速度達(dá)到0.92倍光速。
接著，接近光速的質(zhì)子束像“微型子彈”一樣，沖向重金屬靶，金屬靶的原子核被撞“碎”，科學(xué)家又用特殊裝置把“碎片”里不帶電的中子降速后，引入一臺臺譜儀中。
譜儀位于離加速器隧道不遠(yuǎn)的地方，同樣五彩斑斕。
中國散裂中子源一期共建了3臺譜儀，分別是有著綠色外殼的通用粉末衍射儀、小角中子散射儀，以及有著藍(lán)色外殼的多功能反射儀。
4年來，中國散裂中子源還與粵港澳大灣區(qū)高校、研究機(jī)構(gòu)等合作建設(shè)了若干條譜儀，以滿足全國及地方研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的需求。
紅的、綠的、藍(lán)的、黃的……以靶站為中心，已經(jīng)建成和正在建設(shè)的譜儀向四面伸展，讓中國散裂中子源看起來像一朵綻放的七色花。
“我們的設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上。”散裂中子源科學(xué)中心主任、中國科學(xué)院高能物理研究所副所長陳延偉告訴《中國科學(xué)報(bào)》，全國近百家合作單位完成了裝置各項(xiàng)設(shè)備的研制與批量生產(chǎn)，許多設(shè)備達(dá)到國際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。
5000、97%、800、122%……
好用：超級顯微鏡的“超能力”
在中國散裂中子源，科研人員喜歡用數(shù)字說話。
最讓他們自豪的一個(gè)數(shù)字是“5000”。在這里，時(shí)間不按年、月、日算，而是按小時(shí)算。“我們每年打靶提供中子束流的時(shí)間在5000個(gè)小時(shí)?！标愌觽フf。
5000小時(shí)，意味著一年8700多小時(shí)里，中國散裂中子源大部分時(shí)間都在產(chǎn)生中子，開展實(shí)驗(yàn)?！皣H上的其他三臺散裂中子源，英國、日本每年的中子束流時(shí)間一般都在4000小時(shí)左右。”陳延偉說。
另一個(gè)讓他們自豪的數(shù)字是“97%”?！?020年到2021年，我們的實(shí)際運(yùn)行效率超過了97%，這是全球其他散裂中子源都無法達(dá)到的效率。”散裂中子源科學(xué)中心副主任、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員王生說，實(shí)際運(yùn)行效率是散裂中子源實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間的比值。數(shù)字越高，說明散裂中子源故障率越低，按計(jì)劃運(yùn)行的穩(wěn)定性更好。
在描述中國散裂中子源的運(yùn)行成效時(shí)，他們則喜歡用課題的數(shù)量來說明。“4年，中國散裂中子源開放運(yùn)行8輪，共完成800余項(xiàng)課題，重點(diǎn)支持國家重大需求項(xiàng)目的機(jī)時(shí)?！标愌觽フf。
面向國家重大需求，他們完成了航空航天發(fā)動機(jī)葉片應(yīng)力測試，對“奮斗者”號焊接工藝進(jìn)行驗(yàn)證……
面向世界科技前沿，他們開展了超級鋼、分子篩吸附劑、量子材料等研究。
面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，他們在高性能芯片、電池、材料、應(yīng)力檢測等領(lǐng)域，為鋼鐵研究總院、國電電力發(fā)展股份有限公司、中國石油天然氣集團(tuán)有限公司等高技術(shù)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供了重要支撐。
面向人民生命健康，他們在2020年8月成功研制出我國首臺具有完全知識產(chǎn)權(quán)的硼中子俘獲治療實(shí)驗(yàn)裝置，并于今年7月底在東莞市人民醫(yī)院開始安裝。
好的數(shù)據(jù)和成果，使用戶像滾雪球一般激增。陳延偉介紹，目前，注冊用戶已超過3800人，2021至2022年度申請課題數(shù)同比增長了122%，課題申請的通過率為29%。
提功率、優(yōu)性能、加終端、做交叉……
好謀：未來的“小目標(biāo)”
日漸激增的機(jī)時(shí)申請和正在加劇的科技戰(zhàn)，讓中國散裂中子源的“升級”成為現(xiàn)實(shí)需求。
早在工程設(shè)計(jì)之初，科研人員就為裝置升級預(yù)留了空間。正因如此，未來可以直接在一期工程的基礎(chǔ)上升級改造。
陳延偉介紹，目前，中國散裂中子源已經(jīng)完成一期的全部設(shè)計(jì)指標(biāo)。2020年2月，打靶束流功率達(dá)到100千瓦的設(shè)計(jì)指標(biāo)，比原計(jì)劃提前一年半；2022年2月，打靶束流功率達(dá)到125千瓦，超過設(shè)計(jì)指標(biāo)25%，并且實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效運(yùn)行，大幅度地提高了裝置性能。
提升打靶束流功率，會使裝置在同等時(shí)間里生產(chǎn)出更多中子，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短，樣品分辨率提高。“就好比白天光線強(qiáng)時(shí)拍照，曝光時(shí)間會比晚上拍照時(shí)短，而且拍出來的照片也會更清晰?！标愌觽ソ忉?。
科研人員對未來的“小目標(biāo)”之一，就是將打靶束流功率提升到500千瓦，讓中子源變得更“亮”。
此外，散裂中子源科學(xué)中心副主任梁天驕介紹，中國散裂中子源升級改造后，有望覆蓋用戶需求的絕大部分領(lǐng)域，滿足更多尺度結(jié)構(gòu)和動力學(xué)表征，為多學(xué)科交叉研究提供更有力的支撐。
如今，趁著暑期停機(jī)檢修，這里的科研人員正在為即將安裝的新譜儀和實(shí)驗(yàn)終端做前期準(zhǔn)備。對于該裝置未來的進(jìn)展，《中國科學(xué)報(bào)》還將持續(xù)關(guān)注。
中國散裂中子源加速器局部 李子鋒攝
王生向記者介紹直線加速器工作原理。倪思潔攝
藍(lán)色的四級磁鐵 倪思潔攝
紅色的二級磁鐵 倪思潔攝
中國散裂中子源部分線站與實(shí)驗(yàn)終端 李子鋒攝
源自科學(xué)網(wǎng)2022.8.14版 原地址：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/8/484308.shtm
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