中國(guó)散裂中子源譜儀（2022年8月9日攝） 魏雨虹攝/本刊

　　◇大科學(xué)裝置不僅“立地”服務(wù)于國(guó)家重大需求和經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，“頂天”帶領(lǐng)科學(xué)家探索宇宙奧秘，同時(shí)在工業(yè)制造、人才凝聚、國(guó)際合作等方面產(chǎn)生輻射效應(yīng)

　　◇2021年，國(guó)家發(fā)展改革委布局建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中國(guó)散裂中子源有兩個(gè)指標(biāo)達(dá)到世界最好水平：中子束流時(shí)間超過5200小時(shí)，運(yùn)行效率超過97%，體現(xiàn)了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性

　　◇“現(xiàn)在有19個(gè)其他國(guó)家和地區(qū)參與，取得成果后他們也會(huì)在自己國(guó)家和地區(qū)宣傳，江門中微子的影響力自然擴(kuò)大。當(dāng)然，最終目標(biāo)，是要讓世界知道中國(guó)人在為人類文明的發(fā)展作貢獻(xiàn)?！?/p>

江門中微子實(shí)驗(yàn)球型不銹鋼網(wǎng)架（2022年8月22日攝） 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖 

　　8月10日，臺(tái)風(fēng)“木蘭”讓江門這座城市被雨水裹挾。王貽芳不打傘，瘦削的身影腳步急促地沖在前面，不時(shí)回頭看隨行的記者是否跟上。

　　戴著安全帽、穿著熒光馬甲背心，《瞭望》新聞周刊記者跟隨中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳，坐上有軌纜車，沿著42%坡度的斜井向下滑行約20分鐘，最終到達(dá)距離山頂高度700余米的井底。

　　置身于巨大的球型不銹鋼網(wǎng)架之中，王貽芳說：“我們現(xiàn)在站在水池里面?！苯T中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器建成后，我們站立的地方將裝滿3.5萬噸高純水，形成一個(gè)圓柱形水池。王貽芳進(jìn)一步介紹，“建成后水池的中間是一個(gè)裝有2萬噸液閃的有機(jī)玻璃球，是探測(cè)中微子的核心。”

　　包括江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置（以下簡(jiǎn)稱江門中微子）在內(nèi)，我國(guó)已布局建設(shè)多個(gè)大科學(xué)裝置，這些重大科技基礎(chǔ)設(shè)施將成為我國(guó)高水平科技自立自強(qiáng)的牢固基石。

　　“從一定意義上說，科研競(jìng)爭(zhēng)最終比拼的是科研裝備能力?！敝袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)、散裂中子源科學(xué)中心主任陳延偉告訴記者，目前我國(guó)的大科學(xué)裝置大致可分為三種類型：一是進(jìn)行專項(xiàng)科學(xué)研究，比如江門中微子、“中國(guó)天眼”；二是平臺(tái)型、賦能多個(gè)領(lǐng)域的大科學(xué)裝置，比如散裂中子源、上海光源；三是公益服務(wù)型的大科學(xué)裝置，比如授時(shí)臺(tái)、航空遙感系統(tǒng)。

　　記者先后探訪中國(guó)散裂中子源、江門中微子，感受到大科學(xué)裝置不僅“立地”服務(wù)于國(guó)家重大需求和經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，“頂天”帶領(lǐng)科學(xué)家探索宇宙奧秘，同時(shí)在工業(yè)制造、人才凝聚、國(guó)際合作等方面產(chǎn)生輻射效應(yīng)。

　　散裂中子源：研究時(shí)速400公里

　　高鐵車輪內(nèi)部應(yīng)力

　　廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，中國(guó)第一臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖散裂中子源裝置坐落于此。在這里，中科院高能所東莞研究部的科技工作者們，將中子化作探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的利器，服務(wù)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。

　　中子不帶電，穿透性強(qiáng)。陳延偉介紹，用中子研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，中子像彈珠，材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)像一張網(wǎng)，“這些彈珠沖向網(wǎng)，有的從網(wǎng)穿過去，有的被彈回來。我們搜集到這些信息后，就能夠掌握物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而更好地利用物質(zhì)”。陳延偉說，中子探測(cè)特性的應(yīng)用范圍很廣，不僅能研發(fā)新材料，也能應(yīng)用于能源、生物等領(lǐng)域。

　　國(guó)際上，用于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究的中子源經(jīng)歷了從核反應(yīng)堆中子源到散裂中子源的技術(shù)躍升。上世紀(jì)80年代、2006年、2009年，英國(guó)、美國(guó)和日本相繼建成高功率脈沖散裂中子源。1999年中國(guó)科學(xué)家提出建設(shè)我們自己的散裂中子源。2006年，中國(guó)散裂中子源確定落戶廣東。

　　國(guó)際上所有散裂中子源都向全球免費(fèi)開放使用，但建造中國(guó)自己的散裂中子源依然非常必要。陳延偉說，首先在于國(guó)家關(guān)鍵核心設(shè)備不能拿到國(guó)外平臺(tái)?！懊赓M(fèi)使用，意味著測(cè)量出來的數(shù)據(jù)結(jié)果共享，而有一些裝備部件不適合拿到國(guó)外去研究?！绷硗?，使用國(guó)外散裂中子源平臺(tái)會(huì)受到限制，“比如你想要100小時(shí)，最終可能只獲批10小時(shí)?！?/p>

　　“我們需要有自己的散裂中子源，它不僅是開展前沿科學(xué)研究的重要平臺(tái)，同時(shí)也為面向產(chǎn)業(yè)的先進(jìn)信息技術(shù)、新能源、新材料研發(fā)等提供重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持。更重要的是，散裂中子源為國(guó)家重大戰(zhàn)略需求中眾多關(guān)鍵問題解決提供了不可替代的研究手段?！敝锌圃焊吣芩鶆?wù)委員、東莞研究部副主任王生說。

　　項(xiàng)目建設(shè)過程也是自主攻關(guān)掌握核心關(guān)鍵技術(shù)的過程。中科院高能所散裂中子源研制團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，確保中國(guó)散裂中子源2011年9月奠基、2018年3月按期完工。

　　本刊記者了解到，目前的中國(guó)散裂中子源由一臺(tái)8千萬電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、一臺(tái)16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、1個(gè)靶站、若干臺(tái)中子譜儀等組成。在這套整體架構(gòu)呈U字母形態(tài)的裝置中，負(fù)氫離子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子注入到同步加速器中累積加速，最終引出轟擊鎢靶，在靶上發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，再通過慢化器、中子導(dǎo)管等引向譜儀，供用戶開展實(shí)驗(yàn)。

　　中國(guó)散裂中子源2017年8月28日首次打靶即成功獲得中子束流，加速器和靶站在國(guó)際同類裝置中調(diào)試時(shí)間最短。

　　中科院高能所東莞研究部副主任梁天驕告訴記者，中國(guó)散裂中子源靶站目前的中子供束率超過98%，功率歸一的中子效率約為美國(guó)散裂中子源的2.6倍。即將開始的升級(jí)工程計(jì)劃將打靶束流功率提升到500千瓦，“到時(shí)候，我們的散裂中子源整體指標(biāo)會(huì)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)”。

　　王生說，2021年，中國(guó)散裂中子源有兩個(gè)指標(biāo)達(dá)到世界上同類裝置的最好水平：中子供束時(shí)間超過5200小時(shí)，運(yùn)行效率超過97%，“體現(xiàn)了裝置運(yùn)行的穩(wěn)定可靠”。

　　2018年以來，中國(guó)散裂中子源完成八輪開放運(yùn)行，注冊(cè)用戶超過3800人。其中香港、澳門地區(qū)用戶72人，國(guó)外用戶65人，完成課題800余項(xiàng)。目前，科研院所與高校用戶占比超過85%。

　　“中子散射用戶正快速增長(zhǎng)?！标愌觽フf，2021至2022年度申請(qǐng)使用裝置課題數(shù)同比增長(zhǎng)122%。目前運(yùn)行有四臺(tái)譜儀，另外正在建設(shè)、調(diào)試七臺(tái)合作譜儀，二期還將增建若干譜儀和終端。全部譜儀投入運(yùn)行后，會(huì)有更多用戶能夠用上散裂中子源裝置。

　　記者采訪了解到，散裂中子源裝置即將調(diào)試的“工程材料譜儀”可以更準(zhǔn)確高效地獲得高鐵車輪內(nèi)部深層的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，將為提升國(guó)產(chǎn)高鐵車輪的加工工藝和使用壽命提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。研究人員將通過散裂中子源推進(jìn)時(shí)速400公里高鐵車輪殘余應(yīng)力、深潛器焊接殘余應(yīng)力等研究。剛通過驗(yàn)收的“大氣中子輻照譜儀”已經(jīng)吸引了國(guó)內(nèi)不少高科技企業(yè)將自家產(chǎn)品送來測(cè)試，確保電子元器件與系統(tǒng)性能的高度可靠。

　　江門中微子：

　　競(jìng)逐測(cè)定中微子質(zhì)量順序

　　如果說散裂中子源的許多研究以需求為導(dǎo)向，是“立地”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，那么位于廣東省江門市開平市的江門中微子，則是“頂天”的大科學(xué)裝置，瞄準(zhǔn)探索宇宙奧秘。

　　中微子，構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子之一，質(zhì)量小于電子的百萬分之一，以接近光速運(yùn)動(dòng)。中微子與普通物質(zhì)的相互作用很弱，可以穿過整個(gè)地球而不與任何物質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致其探測(cè)非常困難，人們對(duì)中微子了解甚少。對(duì)中微子的研究有助于人類解決基本粒子質(zhì)量起源、宇宙原初反物質(zhì)消失和暗物質(zhì)之謎等重大前沿科學(xué)問題，意義深遠(yuǎn)。

　　中微子研究是國(guó)際粒子物理研究的熱點(diǎn)。江門中微子的首要目標(biāo)是確定中微子的質(zhì)量順序。這是王貽芳帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼2012年在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)第三種中微子振蕩模式后，向中微子領(lǐng)域發(fā)起的又一巨大挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，江門實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器重量是大亞灣實(shí)驗(yàn)單個(gè)探測(cè)器的一千倍，對(duì)探測(cè)器核心液體閃爍體（簡(jiǎn)稱液閃）的潔凈度要求也是大亞灣實(shí)驗(yàn)的一千倍以上。

　　測(cè)定中微子質(zhì)量順序，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈。王貽芳告訴記者，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)基線加速器中微子實(shí)驗(yàn)、日本頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)、美國(guó)在南極洲的PINGU實(shí)驗(yàn)是江門中微子的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它們的預(yù)期取數(shù)時(shí)間分別為2030年前、2027年、2026年，而江門中微子的預(yù)期取數(shù)時(shí)間為2024年，“江門有望率先測(cè)得中微子質(zhì)量順序，且與其他競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)”。

　　測(cè)定中微子質(zhì)量順序之外，江門中微子還有多個(gè)科學(xué)目標(biāo)，包括精確測(cè)量中微子混合參數(shù)，研究超新星、地球及太陽中微子，尋找質(zhì)子衰變、不活躍中微子等。王貽芳說：“我們希望在實(shí)驗(yàn)站30年的壽命中觀測(cè)到一次超新星爆發(fā)。日本科學(xué)家1987年捕捉到10個(gè)左右的超新星爆發(fā)中微子，如果有相同距離的超新星爆發(fā)，我們的實(shí)驗(yàn)站能捕捉到5000個(gè)超新星爆發(fā)中微子?！?/p>

　　江門中微子探測(cè)裝置位于地下700米。裝置完工后，探測(cè)器最內(nèi)將是直徑35.4米灌滿2萬噸液閃的有機(jī)玻璃球；玻璃球外是用于支撐它的直徑為40.1米的球型不銹鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架內(nèi)覆蓋有4萬多個(gè)光電倍增管；最外面則是直徑43.5米，高44米的圓柱形水池，裝滿3.5萬噸高純水。

　　目前，球型不銹鋼網(wǎng)架已自下而上安裝完畢。記者看到工人們正在網(wǎng)架中的圓形升降平臺(tái)上，自上而下安裝有機(jī)玻璃球，目前已安裝兩層?！皣?guó)際上13米直徑的有機(jī)玻璃球安裝耗時(shí)兩年，我們直徑35.4米的有機(jī)玻璃球計(jì)劃10個(gè)月裝完。” 王貽芳說。

　　在俯瞰平臺(tái)，記者見到個(gè)頭嬌小、娃娃臉、留著短卷發(fā)的馬驍妍。她是江門中微子的總工程師，被一群人高馬大的工人喊作“馬總”。

　　馬驍妍說，因?yàn)橹形⒆拥奶綔y(cè)很困難，雖然已經(jīng)把探測(cè)器設(shè)置在地下700米，仍然需要3.5萬噸高純水沒過有機(jī)玻璃球，以屏蔽干擾信號(hào)，“保證探測(cè)到的是干干凈凈的中微子”。

　　馬驍妍進(jìn)一步解釋，中微子進(jìn)入液閃會(huì)有一定幾率產(chǎn)生熒光，但是這些光信號(hào)特別微弱，覆蓋不銹鋼網(wǎng)架的光電倍增管用來接收這些光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后再放大1000萬倍?！霸龠^半年，光電倍增管鋪滿了，我們的探測(cè)器看上去就是一個(gè)亮晶晶的大球，那會(huì)是它最漂亮的時(shí)候?！瘪R驍妍說。

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)的整體裝置結(jié)構(gòu)貌似不復(fù)雜，其中卻充滿極限挑戰(zhàn)。王貽芳說，液閃是整個(gè)探測(cè)器“最根本的核心”，對(duì)其潔凈度要求極高，2萬噸液閃中最多允許有0.008克灰塵總量，總空氣殘留量需要小于1.2立方米，總漏氣量要小于24立方厘米?！捌浼兌纫蟪^半導(dǎo)體用水的指標(biāo)?！?/p>

　　日本、意大利、加拿大等國(guó)第一次對(duì)1000噸級(jí)以下液閃進(jìn)行灌裝，潔凈度都未達(dá)標(biāo)，只能重新純化。為保證探測(cè)靈敏度，江門中微子實(shí)驗(yàn)的液閃高達(dá)2萬噸規(guī)模，難以進(jìn)行二次純化，必須一次灌裝達(dá)標(biāo)。

　　在位于江門中微子實(shí)驗(yàn)室地面的液閃純化設(shè)備放置處，液閃純化子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人俞伯祥告訴記者，在各個(gè)系統(tǒng)中的液閃材料匯入整體管路前，會(huì)被分別監(jiān)測(cè)是否達(dá)到純化指標(biāo)。正式灌裝液閃前，還會(huì)有20噸液閃進(jìn)入模擬性質(zhì)的小有機(jī)玻璃球，監(jiān)測(cè)能否達(dá)標(biāo)。俞伯祥說，目前預(yù)計(jì)明年8月開始灌裝液閃，6個(gè)月灌裝完畢。

　　中國(guó)人在為人類文明的發(fā)展作貢獻(xiàn)

　　中國(guó)散裂中子源、江門中微子只是我國(guó)多點(diǎn)布局的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的縮影，但從其自身建設(shè)到應(yīng)用開展，已經(jīng)呈現(xiàn)出多重輻射效應(yīng)。

　　以散裂中子源為例，6年建成的背后是關(guān)鍵核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破。

　　中國(guó)散裂中子源核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超過90%。王生指出，國(guó)產(chǎn)化的過程降低了裝置成本，同時(shí)提升了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和制造能力?！叭绻覀兊暮诵脑O(shè)備都拿到國(guó)外做，估計(jì)成本要乘以三倍?！蓖跎f，因?yàn)橹袊?guó)散裂中子源建設(shè)推動(dòng)的技術(shù)進(jìn)步，美國(guó)大型加速器裝置的關(guān)鍵設(shè)備也到中國(guó)來做，“國(guó)內(nèi)企業(yè)做的設(shè)備質(zhì)優(yōu)價(jià)廉”。中國(guó)散裂中子源靶體部件的制造商，還成功中標(biāo)了世界上第五臺(tái)散裂中子源——?dú)W洲散裂中子源的靶體部件。

　　陳延偉說，進(jìn)口的較大部分是中子導(dǎo)管，“三四年前我們也開始走國(guó)產(chǎn)化道路，希望二期能夠用上更多國(guó)產(chǎn)中子導(dǎo)管”。

　　江門中微子則研制成功擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的大尺寸微通道板型光電倍增管，打破了國(guó)際壟斷?！肮怆姳对龉芊亲约鹤龀鰜聿豢伞?，這是王貽芳在大亞灣實(shí)驗(yàn)時(shí)下的決心。王貽芳說，團(tuán)隊(duì)2008年開始研發(fā)光電倍增管，2016年做出來，目前自研的光電倍增管探測(cè)效率達(dá)到30.1%，高于原本國(guó)際壟斷的同類型日本光電倍增管28.5%的探測(cè)效率。

　　大科學(xué)裝置建設(shè)過程中產(chǎn)生的新技術(shù)成果還外溢應(yīng)用到其他產(chǎn)業(yè)。

　　典型案例是散裂中子源的射頻四級(jí)加速器（RFQ）技術(shù)突破，惠及癌癥治療。利用相關(guān)技術(shù)，2020年8月，研究人員成功研制出我國(guó)首臺(tái)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加速器硼中子俘獲治療（BNCT）實(shí)驗(yàn)裝置。首臺(tái)臨床設(shè)備于2022年7月底在東莞市人民醫(yī)院安裝，預(yù)計(jì)2023年5月完成安裝調(diào)試。

　　江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置在建造有機(jī)玻璃球過程中，因?yàn)樾枰獪y(cè)量其殘余應(yīng)力，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了可以便攜式無損檢測(cè)透明介質(zhì)應(yīng)力的“殘余應(yīng)力檢測(cè)儀”，目前正在產(chǎn)品化。

　　大科學(xué)裝置是科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的平臺(tái)，更是匯聚國(guó)內(nèi)外一流人才的平臺(tái)。

　　“我們這里最開始是從北京過來一批高能所的科學(xué)家，這些年在匯聚全國(guó)各地、世界各地的科學(xué)家?！标愌觽フf，團(tuán)隊(duì)35歲以下年輕人占比超過70%，“是一支充滿戰(zhàn)斗力的隊(duì)伍”。

　　童欣現(xiàn)在是高能所東莞研究部中子科學(xué)部研究員，他曾經(jīng)在美國(guó)學(xué)習(xí)、工作超過15年。目前在中國(guó)散裂中子源負(fù)責(zé)新建非彈性譜儀等工作，帶領(lǐng)一個(gè)由美國(guó)、德國(guó)、印度等國(guó)成員組成的國(guó)際小團(tuán)隊(duì)。

　　高能所東莞研究部中子科學(xué)部副主任張俊榮則是從日本回來的數(shù)據(jù)分析專家。

　　年輕的李曉是高能所東莞研究部加速器技術(shù)部研究員，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)攻克了磁合金腔核心關(guān)鍵技術(shù)，將被用于中國(guó)散裂中子源二期建設(shè)。

　　中國(guó)大科學(xué)裝置本身就是人才培養(yǎng)的基地。王生說，35年前中國(guó)第一臺(tái)大科學(xué)裝置——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)培養(yǎng)了一批骨干人才，一部分人仍然活躍在科研一線，“我們最早的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)都是從北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)工程中得到的”。王貽芳說：“沒有大亞灣實(shí)驗(yàn)的人才基礎(chǔ)，江門中微子是不可能做出來的?！?/p>

　　大科學(xué)裝置還是促進(jìn)國(guó)際合作的重要平臺(tái)。

　　王貽芳以江門中微子為例。由于具有重大科學(xué)意義和豐富的物理研究課題，加上大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，江門中微子設(shè)想之初便吸引了大量國(guó)際合作者。2014年成立了國(guó)際合作組，至今已發(fā)展為由19個(gè)國(guó)家和地區(qū)的74個(gè)科研單位的600余位科學(xué)家組成的大型國(guó)際合作組。其中包括多個(gè)國(guó)際著名粒子物理實(shí)驗(yàn)的負(fù)責(zé)人及其團(tuán)隊(duì)。王貽芳表示，國(guó)外經(jīng)費(fèi)貢獻(xiàn)占總經(jīng)費(fèi)15%左右。比如，液閃純化設(shè)備中的蒸餾設(shè)備、氣體剝離設(shè)備由意大利提供，液閃純度監(jiān)測(cè)設(shè)備由德國(guó)提供等。

　　王貽芳笑說：“現(xiàn)在有19個(gè)其他國(guó)家和地區(qū)參與，取得成果后他們會(huì)在自己國(guó)家和地區(qū)宣傳，江門中微子的影響力自然擴(kuò)大。當(dāng)然，最終目標(biāo)，是要讓世界知道中國(guó)人在為人類文明的發(fā)展作貢獻(xiàn)?！?/p>

引自《瞭望》新聞周刊 2022.8.29版 原地址：https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11062583?d=1348b9b&channel=weixin