中國(guó)散裂中子源加速器（局部） 李子鋒攝
■本報(bào)記者 倪思潔
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(guó)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(guó)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(guó)散裂中子源項(xiàng)目通過(guò)國(guó)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(lái)了。
這里的年均公眾參觀訪問(wèn)量超1萬(wàn)人次。最火爆的一次線下科普活動(dòng)中，科研人員半天就接待了6000人次，前來(lái)參觀的小汽車一直從中國(guó)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(duì)中國(guó)散裂中子源機(jī)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)也很激烈，項(xiàng)目申請(qǐng)書逐年成倍增加，以至于每100份申請(qǐng)書中只有29份能成功。
這臺(tái)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(guó)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(guó)散裂中子源都會(huì)放“暑假”——停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)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(guó)散裂中子源是由國(guó)家發(fā)展改革委立項(xiàng)支持建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，法人單位是中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所。這個(gè)裝置讓中國(guó)成為繼英國(guó)、美國(guó)、日本之后世界第4個(gè)擁有脈沖散裂中子源的國(guó)家。
散裂中子源常被比作“超級(jí)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(lái)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(jiàn)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(lái)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(zhǎng)串，之后又圍出一個(gè)大環(huán)。長(zhǎng)串部位是直線加速器，環(huán)形部位是快循環(huán)同步加速器。看似龐大、笨重的裝備，安裝精度要達(dá)到10微米到百微米級(jí)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(lái)，每1秒鐘，快循環(huán)加速器會(huì)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(huì)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”?？茖W(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(tái)臺(tái)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(guó)散裂中子源一期共建了3臺(tái)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(lái)，中國(guó)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)了若干臺(tái)譜儀，以滿足全國(guó)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(guó)散裂中子源看起來(lái)像一朵綻放的七色花。
“我們的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上?！鄙⒘阎凶釉纯茖W(xué)中心主任、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)陳延偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，全國(guó)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(guó)際領(lǐng)先或先進(jìn)水平。
5000、97%、800、122%……
好用：超級(jí)顯微鏡的“超能力”
在中國(guó)散裂中子源，科研人員喜歡用數(shù)字說(shuō)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?！拔覀兠磕甏虬刑峁┲凶邮鞯臅r(shí)間是5000個(gè)小時(shí)?！标愌觽フf(shuō)。
5000小時(shí)，意味著一年8700多小時(shí)里，中國(guó)散裂中子源大部分時(shí)間都在產(chǎn)生中子，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)?！皣?guó)際上其他散裂中子源中，英國(guó)、日本每年的中子束流時(shí)間一般都在4000小時(shí)左右?！标愌觽フf(shuō)。
另一個(gè)讓他們自豪的數(shù)字是“97%”。“2020年到2021年，我們的實(shí)際運(yùn)行效率超過(guò)了97%，這是全球其他散裂中子源都無(wú)法達(dá)到的效率。”散裂中子源科學(xué)中心副主任、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員王生說(shuō)，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(shuō)明散裂中子源故障率越低，按計(jì)劃運(yùn)行的穩(wěn)定性越好。
在描述中國(guó)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(lái)說(shuō)明?！?年，中國(guó)散裂中子源開(kāi)放運(yùn)行8輪，共完成800余項(xiàng)課題，重點(diǎn)支持國(guó)家重大需求項(xiàng)目的機(jī)時(shí)?！标愌觽フf(shuō)。
面向世界科技前沿，他們開(kāi)展了超級(jí)鋼、分子篩吸附劑、量子材料等研究。
面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，他們?cè)诟咝阅苄酒㈦姵?、材料、?yīng)力檢測(cè)等領(lǐng)域，為鋼鐵研究總院、國(guó)電電力發(fā)展股份有限公司、中國(guó)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。
面向國(guó)家重大需求，他們完成了航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片應(yīng)力測(cè)試，對(duì)“奮斗者”號(hào)焊接工藝進(jìn)行驗(yàn)證。
面向人民生命健康，他們?cè)?020年8月成功研制出我國(guó)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)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(kāi)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(cè)用戶已超過(guò)3800人，2021至2022年度申請(qǐng)課題數(shù)同比增長(zhǎng)了122%，課題申請(qǐng)的通過(guò)率為29%。
提功率、優(yōu)性能、加終端、做交叉……
好謀：未來(lái)的“小目標(biāo)”
日漸激增的機(jī)時(shí)申請(qǐng)和正在加劇的科技戰(zhàn)，讓中國(guó)散裂中子源的“升級(jí)”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(jí)預(yù)留了空間。正因如此，未來(lái)可以直接在一期工程的基礎(chǔ)上升級(jí)改造。
陳延偉介紹，目前，中國(guó)散裂中子源已經(jīng)完成一期全部設(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(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)25%，并且實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效運(yùn)行，大幅提高了裝置性能。
提升打靶束流功率，會(huì)使裝置在同等時(shí)間里產(chǎn)生更多中子，進(jìn)而使實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短，樣品分辨率提高?！熬秃帽劝滋旃饩€強(qiáng)時(shí)拍照，曝光時(shí)間會(huì)比晚上拍照時(shí)短，而且拍出來(lái)的照片也會(huì)更清晰。”陳延偉解釋說(shuō)。
科研人員未來(lái)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(guó)散裂中子源升級(jí)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(dòng)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(duì)于該裝置未來(lái)的進(jìn)展，《中國(guó)科學(xué)報(bào)》將持續(xù)關(guān)注。
引自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2022-08-16 第1版 要聞)原地址：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/8/370771.shtm
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