“超級顯微鏡”：上天入地下海的國之重器

鄭楊

8月28日上午10時，位于廣東東莞的中國散裂中子源（CSNS）靶站譜儀控制室內(nèi)，科研人員凝視著屏幕，緊張待命。只見工程總指揮兼工程經(jīng)理陳和生院士一聲指令，從加速器引出的質(zhì)子束流首次打向金屬鎢靶，順利獲得中子束流。在場的工程人員激動地見證了這歷史性的一刻—中國散裂中子源首次打靶成功！中國有了自己的散裂中子源。

被譽(yù)為“超級顯微鏡”的散裂中子源是了解微觀世界的利器，原本僅英國、美國和日本三國擁有此設(shè)備。CSNS作為我國“十二五”期間建設(shè)的最大規(guī)模大科學(xué)裝置，將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，躋身世界四大脈沖散裂中子源行列， 為高水平的科研成果提供有力支撐，并為解決國家可持續(xù)發(fā)展和國家安全戰(zhàn)略需求的許多瓶頸問題提供先進(jìn)平臺。

這個擁有“火眼金睛”的國之重器究竟長什么樣？又將發(fā)揮怎樣的作用？

小中子，大裝置 國產(chǎn)化率超96%

深入地下17米深處的CSNS加速器隧道，記者得以窺見這個即將封閉進(jìn)入試運(yùn)行的“龐然大物”—它包括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、2條束流運(yùn)輸線、1個靶站、首批建設(shè)的3臺譜儀等。

那么，CSNS何以成為了解微觀世界的“超級顯微鏡”？這要從微小而神奇的中子說起。

眾所周知，X射線能拍攝人體的醫(yī)學(xué)影像。而在材料學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，科學(xué)家們也希望有一種工具，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)。中子散射技術(shù)就是這樣一種強(qiáng)有力的工具，能研究諸如DNA、蛋白質(zhì)、飛機(jī)材料等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

中國科學(xué)院院士陳和生告訴記者，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。由于中子不帶電、穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，并具有非破壞性，這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。

“當(dāng)中子入射到樣品上，與其原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射，就可以通過測量散射的中子能量和動量的變化，研究各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律。”陳和生解釋，“做一個形象的比喻，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，我們不斷扔出很多玻璃彈珠，有的穿網(wǎng)而過，有的打在網(wǎng)上，彈向不同角度。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)”。

雖然中子如此微小，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。世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源主要有英國的ISIS、美國的SNS和日本的J-PARC，中國的CSNS是全球第四臺。

“CSNS的建設(shè)攻克了許多關(guān)鍵核心技術(shù)難題，設(shè)備國產(chǎn)化率超過96%。許多設(shè)備的研制達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平?！标惡蜕院赖亟榻B。

如此高的國產(chǎn)化率是如何實(shí)現(xiàn)的？工程副總經(jīng)理傅世年分享了設(shè)備研發(fā)中不為人知的故事，“拿加速器技術(shù)來說，與國內(nèi)外大多數(shù)加速器不同，CSNS快循環(huán)同步加速器上的主磁鐵真空室不能采用金屬材料，必須采用陶瓷。這種大尺寸陶瓷真空室技術(shù)要求特殊，國外公司要價極高。經(jīng)費(fèi)有限，我們決心自己研制?？萍既藛T同時與多個廠家合作，幾年間反復(fù)多次研制，終于研發(fā)出滿足設(shè)計(jì)要求的樣機(jī)，得知消息后，國外公司立刻大幅降低了報價。”

天上地下顯身手 5年內(nèi)或開啟腫瘤治療新時代

歷經(jīng)10年建設(shè)，CSNS即將完工，很快將開啟產(chǎn)業(yè)化探索的第一步。

8月11日，中科院高能物理研究所與東陽光集團(tuán)簽署合作協(xié)議，雙方將利用散裂中子源開展硼中子俘獲療法（BNCT）項(xiàng)目，有望在未來5年內(nèi)開啟國內(nèi)腫瘤治療新時代。“BNCT是一種利用中子射線治療腫瘤的技術(shù)，能有效殺死癌細(xì)胞而不損傷周邊組織，具有安全性高、定位精確、價格相對低廉等特點(diǎn)?！睎|陽光集團(tuán)董事長張中能說。

神奇中子是如何定向“引爆”癌細(xì)胞的？東陽光研究總院院長唐新發(fā)介紹，首先，給癌癥患者注射一種含硼的無毒藥物。由于硼與癌細(xì)胞有很強(qiáng)的親和力，會迅速“潛伏”于癌細(xì)胞內(nèi)。此時，利用加速器產(chǎn)生的中子束照射腫瘤部位，中子就會被癌細(xì)胞內(nèi)的硼所俘獲，并在癌細(xì)胞內(nèi)釋放出殺傷力極強(qiáng)的射線。這種射線射程很短，只有一個細(xì)胞的長度，所以它只殺死癌細(xì)胞，而周圍的正常組織則不會受損。

中科院高能所所長王貽芳院士透露，高能所將充分利用散裂中子源這一研發(fā)平臺，結(jié)合東陽光集團(tuán)的腫瘤藥研究能力，計(jì)劃完成首座商業(yè)化BNCT治療中心建設(shè)。

事實(shí)上，散裂中子源可以大顯身手的地方遠(yuǎn)不止生命科學(xué)領(lǐng)域。作為多學(xué)科研究的新平臺，它在材料科學(xué)、化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景，可謂能上天入地下海。

為此，陳和生舉了許多例子?！?998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，造成慘重傷亡。最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。而找出原因的，就是英國的散裂中子源?！标惡蜕嬖V記者，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)的使用壽命和安全性。但是，這個應(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?，F(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)化加工工藝，讓高鐵和飛機(jī)更為安全舒適。

“又如，在海底可燃冰的開采中，如果出現(xiàn)泄漏，后果不堪設(shè)想。散裂中子源可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件，其成果將為安全、高效開采利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)?！标惡蜕f。

將建中子科學(xué)城 引領(lǐng)粵港澳大灣區(qū)產(chǎn)業(yè)升級

中國散裂中子源，有著世界其他三大散裂中子源所不具備的優(yōu)勢—與制造業(yè)緊密結(jié)合。

CSNS所在地—廣東東莞地處珠三角核心區(qū)域，擁有國家高新技術(shù)企業(yè)2028家，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級態(tài)勢明顯?！拔覀兤诖龑掖罂茖W(xué)工程的強(qiáng)大科技輻射力與珠三角地區(qū)強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力結(jié)合起來，為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級作出重大貢獻(xiàn)?！标惡蜕f。

東莞市副市長黃慶輝透露，依托散裂中子源，東莞市正規(guī)劃建設(shè)總面積約45.7平方公里的中子科學(xué)城。

中子科學(xué)城所在區(qū)域是廣深科技創(chuàng)新走廊的重要戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)。目前，該區(qū)域已集聚了一批具有國際影響力和國際化視野的高端創(chuàng)新要素，包括CSNS、華為終端總部等科研創(chuàng)新機(jī)構(gòu)和國際化企業(yè)。區(qū)域內(nèi)還將集聚大量高素質(zhì)人才，僅華為終端項(xiàng)目就將進(jìn)駐3萬研發(fā)人員。CSNS建成后，將吸引全國乃至全世界的頂尖研究人員前來科學(xué)實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，高峰時，約600名科學(xué)家可以同時開展研究。

如何將制造業(yè)優(yōu)勢與散裂中子源的科技成果轉(zhuǎn)換相結(jié)合，形成相關(guān)產(chǎn)業(yè)的集聚發(fā)展，是東莞目前探索的方向。

黃慶輝介紹，CSNS落戶后，帶動了國內(nèi)特別是大珠三角地區(qū)，中子散射相關(guān)科技和工業(yè)應(yīng)用的迅速發(fā)展，合作單位包括中山大學(xué)、華南理工大學(xué)、工業(yè)和信息化部電子第五研究所、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等。根據(jù)廣東省統(tǒng)一部署，先進(jìn)高端材料廣東省實(shí)驗(yàn)室也將落戶東莞，依托散裂中子源推動材料科技發(fā)展。接下來，該實(shí)驗(yàn)室將由華南理工大學(xué)、散裂中子源雙方牽頭，省市共建，整合中科院高能所、廣東省科學(xué)院等科研資源，形成“前沿研究、應(yīng)用研究、產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化”全鏈條研究模式，建成具有國際影響力的創(chuàng)新高地。

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