散裂中子源，珠三角科技榮光

韓靜

經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的暑期檢修，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中國(guó)散裂中子源9月26日開(kāi)始新一輪開(kāi)放運(yùn)行。自去年8月23日投運(yùn)至今，該項(xiàng)目已完成科研難題100多項(xiàng)，取得了諸多科研成果。而在粵港澳大灣區(qū)的框架之下，中國(guó)散裂中子源作為粵港澳大灣區(qū)首個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，正有力推動(dòng)大灣區(qū)科技核心的形成，將為粵港澳大灣區(qū)的發(fā)展創(chuàng)造“無(wú)限可能”。

廣東東莞大朗鎮(zhèn)，是被稱(chēng)為“國(guó)之重器”的大科學(xué)裝置——中國(guó)散裂中子源（CSNS）的基地。從2006年5月在這里選址，到2017年中子源首次打靶、順利產(chǎn)生第一束中子，再到2018年啟動(dòng)首批實(shí)驗(yàn)……中國(guó)科學(xué)院院士、散裂中子源工程總指揮陳和生帶領(lǐng)的中科院高能物理所散裂中子源項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在這里奮斗了整整十三年。

如今，時(shí)值項(xiàng)目運(yùn)轉(zhuǎn)一周年之際，作為全球第四臺(tái)、國(guó)內(nèi)首臺(tái)的散裂中子源，位于廣東東莞的中國(guó)散裂中子源又有什么故事？建設(shè)效果如何呢？《小康》記者獲悉，從去年9月至今年6月，中國(guó)散裂中子源先后進(jìn)行兩輪開(kāi)放運(yùn)行，用戶(hù)申請(qǐng)十分踴躍，機(jī)時(shí)供不應(yīng)求，共完成用戶(hù)課題101個(gè)，其中來(lái)自香港地區(qū)以及國(guó)外的用戶(hù)課題11個(gè)。裝置圍繞國(guó)際科技前沿和國(guó)家重大需求，取得了多項(xiàng)成果，包括新型鋰離子電池材料結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)合金、太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)、芯片中子單粒子效應(yīng)等，同時(shí)也開(kāi)展了航空材料、可燃冰、頁(yè)巖、催化劑等初步研究。

探秘微觀(guān)世界的“超級(jí)顯微鏡”

汽車(chē)從莞佛高速駛?cè)搿爸凶釉绰贰保?分鐘車(chē)程便抵達(dá)位于東莞大朗的中國(guó)散裂中子源所在地。

占地400畝的中國(guó)散裂中子源一期項(xiàng)目園區(qū)，大片的綠地和現(xiàn)代化的建筑隨處可見(jiàn)。行政主樓大廳內(nèi)，比例尺為1：60的沙盤(pán)模型甚是顯眼，可一覽園區(qū)全貌——由國(guó)家出資18.6632億建設(shè)的主裝置區(qū)位于園區(qū)南部，包括直線(xiàn)加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站譜儀三個(gè)部分，其它建筑則是由廣東省和東莞市財(cái)政出資建設(shè)的輔助裝置區(qū)。

接受《小康》記者采訪(fǎng)的中科院高能物理研究所東莞分部（中國(guó)散裂中子源）相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，中國(guó)散裂中子源的建成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白，將為諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)有力的研究平臺(tái)，例如物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等。它的投入運(yùn)行，對(duì)我國(guó)探索前沿科學(xué)問(wèn)題、攻克產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)、解決“卡脖子”問(wèn)題具有重要意義。

陳和生曾將中國(guó)散裂中子源喻為一臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”，這臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”可帶我們探索肉眼無(wú)法看到的微觀(guān)粒子世界。而中子散射就像“探針”，是探索物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的有力手段之一。

在中國(guó)散裂中子源園區(qū)地下18米左右的地方，盤(pán)踞著總長(zhǎng)600多米的隧道。這條隧道里有一臺(tái)80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線(xiàn)加速器和一臺(tái)16億電子伏特快循環(huán)質(zhì)子同步加速器。

“散裂中子源裝置不僅造價(jià)高，而且技術(shù)復(fù)雜，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克彼L(zhǎng)、東莞分部（中國(guó)散裂中子源）主任陳延偉介紹，裝置的工作原理是將質(zhì)子加速到16億電子伏特，速度達(dá)到0.93倍光速，把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬鎢靶，鎢原子核被撞擊出大量中子，科學(xué)家便通過(guò)特殊裝置利用中子，開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)。

事實(shí)上，CSNS的建設(shè)過(guò)程可謂排除萬(wàn)難，從關(guān)鍵核心技術(shù)的掌握到設(shè)備安裝、工程管理，歷經(jīng)重重挑戰(zhàn)。

例如，快循環(huán)同步加速器的25Hz交流磁鐵在我國(guó)屬首次研制，期間遇到了超乎想象的技術(shù)挑戰(zhàn)，鐵芯和線(xiàn)圈的振動(dòng)開(kāi)裂、渦流發(fā)熱都是以前經(jīng)驗(yàn)之外的新問(wèn)題。“我們向美國(guó)、日本研究所專(zhuān)家請(qǐng)教，但他們只懂科學(xué)設(shè)計(jì)，關(guān)鍵技術(shù)掌握在國(guó)外大公司手中，不可能告訴我們。”中國(guó)散裂中子源工程副經(jīng)理傅世年回憶。

于是，科研人員與工廠(chǎng)工程師咬緊牙關(guān)聯(lián)合攻關(guān)，6年間經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次失敗，改方案、換廠(chǎng)家，逐一攻破技術(shù)難關(guān)，終于靠自己的力量研制出合格的磁鐵。針對(duì)磁鐵磁場(chǎng)飽和這一難題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了諧振電源的諧波補(bǔ)償方法，解決了多臺(tái)磁鐵之間的磁場(chǎng)同步問(wèn)題，其效果優(yōu)于日本散裂中子源。

工程建設(shè)中遇到的最大挑戰(zhàn)，是土建工程延誤了1年多，這大大壓縮了設(shè)備安裝和調(diào)試時(shí)間。面對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，CSNS的建設(shè)對(duì)國(guó)家承諾的竣工時(shí)間不能推遲，必須千方百計(jì)搶時(shí)間。

當(dāng)時(shí)采取的主要措施是，將原定在隧道里測(cè)試?yán)暇毜脑O(shè)備先在地面大廳安裝調(diào)試和老練，將通用設(shè)施的安裝與隧道土建施工交叉并行。這樣做大大增加了工作量和工程調(diào)度的難度，并可能帶來(lái)事故風(fēng)險(xiǎn)。但工程團(tuán)隊(duì)毫不畏懼，經(jīng)過(guò)幾百個(gè)日日夜夜的奮戰(zhàn)，終于趕回了工期?！斑B除夕夜我們都是在隧道里度過(guò)的?！被貞浧鹉嵌稳兆?，傅世年的語(yǔ)氣中滿(mǎn)是自豪。

在散裂中子源國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)年度會(huì)議上，外國(guó)專(zhuān)家感嘆散裂中子源工程建設(shè)的“中國(guó)速度”：“難以想象你們?cè)诙潭痰囊荒陜?nèi)完成了如此大量的工作?！?/p>

2017年8月28日上午10時(shí)，CSNS靶站譜儀控制室內(nèi)，科研人員凝視著屏幕，緊張待命。在陳和生一聲指令后，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(chǎng)的工程人員激動(dòng)地見(jiàn)證了這歷史性的一刻——中國(guó)散裂中子源首束中子產(chǎn)生，進(jìn)入試運(yùn)行！

2018年秋天，中國(guó)散裂中子源全部工程建設(shè)任務(wù)高質(zhì)量完成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，建成國(guó)際先進(jìn)水平的散裂中子源裝置。

中國(guó)散裂中子源國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為，其性能全部達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。同時(shí)認(rèn)為，中國(guó)散裂中子源通過(guò)自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術(shù)成果，顯著提升了我國(guó)在高功率散裂靶、磁鐵、電源、探測(cè)器及電子學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力，使我國(guó)在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大跨越。

“國(guó)之重器”賦能，為大灣區(qū)帶來(lái)無(wú)限可能

國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施是提升探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實(shí)現(xiàn)科技變革的重要平臺(tái)。國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不僅對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科技發(fā)展具有重大意義，對(duì)廣東凝聚和培養(yǎng)國(guó)內(nèi)外頂尖科學(xué)家和研究團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)重大原始創(chuàng)新和重大科技成果產(chǎn)出，推動(dòng)廣東創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、建設(shè)國(guó)際一流創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心和珠三角國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)，同樣具有重大意義。

根據(jù)《廣東省推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革實(shí)施方案》，2017年到2020年，廣東省將投資約640億元，建設(shè)中國(guó)（東莞）散裂中子源、中微子二期實(shí)驗(yàn)室（江門(mén)）、中國(guó)科學(xué)院（惠州）加速器驅(qū)動(dòng)嬗變系統(tǒng)裝置和強(qiáng)流重離子加速器裝置等項(xiàng)目18項(xiàng)。

陳和生表示，珠三角經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，把CSNS放在廣東是優(yōu)化我國(guó)大科學(xué)裝置的布局，把中科院雄厚的科研實(shí)力與珠三角經(jīng)濟(jì)結(jié)合起來(lái)，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)更好輻射港澳及東南亞等地區(qū)，“CSNS的建成將為珠三角地區(qū)的科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，為在珠三角地區(qū)建立國(guó)家科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心提供一個(gè)強(qiáng)有力的支撐”。

陳和生說(shuō)，CSNS從2006年起就開(kāi)始在廣東選址，當(dāng)時(shí)廣東推薦了多個(gè)城市，經(jīng)過(guò)實(shí)地踩點(diǎn)和地質(zhì)條件等方面的綜合比選，最終選址在東莞大朗，并開(kāi)始勘探等前期研究工作。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)符合要求，又靠近山體，有很好的基巖，水平面高，地下水對(duì)項(xiàng)目的影響少，同時(shí)旁邊就是高速公路，便于設(shè)備運(yùn)輸和對(duì)外人員交流，這些因素最終讓CSNS項(xiàng)目落戶(hù)東莞大朗鎮(zhèn)。

東莞方面提出的“莞版創(chuàng)新20條”也明確提到要推進(jìn)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與應(yīng)用。高標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃、建設(shè)中子科學(xué)城，推進(jìn)中子科學(xué)城與深圳光明科學(xué)城協(xié)同發(fā)展，共同打造綜合性國(guó)家科學(xué)中心核心區(qū)。加快布局建設(shè)散裂中子源二期、同步輻射光源、自由電子激光、智能超算平臺(tái)等一批大科學(xué)裝置，打造粵港澳大灣區(qū)大科學(xué)裝置集群。

如今依托散裂中子源，東莞松山湖高新區(qū)正規(guī)劃建設(shè)53.3平方公里的中子科學(xué)城，打造世界級(jí)科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施集群?！澳壳?，圍繞散裂中子源集聚的科研平臺(tái)正有序推進(jìn)。松山湖材料實(shí)驗(yàn)室一期方案已基本穩(wěn)定，中科院物理所珠三角分部、粵港澳交叉科學(xué)研究中心已掛牌，成功招引首批10個(gè)高水平科研團(tuán)隊(duì)，南方光源項(xiàng)目已開(kāi)展預(yù)制研究。我們將全力推動(dòng)中子科學(xué)城與深圳光明科學(xué)城、港深落馬洲河套地區(qū)攜手共建綜合性國(guó)家科學(xué)中心?！闭劦缴⒘阎凶釉磶?lái)的機(jī)遇，東莞松山湖高新區(qū)黨工委副書(shū)記、管委會(huì)主任歐陽(yáng)南江充滿(mǎn)期待。

事實(shí)上，散裂中子源正在惠及大灣區(qū)內(nèi)眾多創(chuàng)新型企業(yè)。在松山湖高新區(qū)內(nèi)，已經(jīng)有企業(yè)成為散裂中子源相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置的首批用戶(hù)，相關(guān)研究取得了重要實(shí)驗(yàn)成果。

展望未來(lái)，隨著中國(guó)散裂中子源下一階段更多用戶(hù)譜儀的建設(shè)，其作為國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展引擎的作用將愈加凸顯。

據(jù)介紹，除了首批建成的3臺(tái)譜儀，目前中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在積極籌劃“十四五”國(guó)家支持的后續(xù)譜儀建設(shè)項(xiàng)目，推動(dòng)與粵港澳大灣區(qū)內(nèi)相關(guān)大學(xué)和科研院所合作共建譜儀的建設(shè)。規(guī)劃的20臺(tái)譜儀全部建成后，將分別用于材料科學(xué)、生物醫(yī)藥、電子信息、機(jī)械制造等領(lǐng)域，不僅可為相關(guān)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破核心技術(shù)、實(shí)現(xiàn)升級(jí)改造提供支撐，更可帶動(dòng)粵港澳大灣區(qū)引入大量新興產(chǎn)業(yè)資源，如新型功能性材料產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、硼中子俘獲治癌、環(huán)境監(jiān)測(cè)等，推動(dòng)新興產(chǎn)業(yè)的興起和飛躍。

編輯/麥婉華