探索微觀世界的“火眼金睛”

文 陳和生

散裂中子源究竟是什么？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，散裂中子源就是一種“超級(jí)顯微鏡”，其散射的中子如同“探針”，可以清晰檢測(cè)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此被認(rèn)為是當(dāng)今人類深度探索微觀世界的有力工具。它廣泛應(yīng)用于新材料研發(fā)、關(guān)鍵零部件的性能檢測(cè)、癌癥治療等熱門(mén)領(lǐng)域，為材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等基礎(chǔ)研究，提供了先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)平臺(tái)，對(duì)解決前沿科學(xué)問(wèn)題具有重大意義，是當(dāng)之無(wú)愧的“國(guó)之重器”。

看透物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“火眼金睛”——中子

如何去研究微觀結(jié)構(gòu)呢？我們?cè)谥袑W(xué)時(shí)可以用顯微鏡來(lái)看花粉、看細(xì)胞等。如果還想看更精細(xì)的結(jié)構(gòu)，可以用電子顯微鏡。而要想看到分子結(jié)構(gòu)，就需要用散裂中子源，或者是同步輻射光源，我們把它叫作超級(jí)顯微鏡。什么是同步輻射呢？同步輻射實(shí)際上就是非常強(qiáng)的X光，大家在醫(yī)院做檢查用的就是X光，但是同步輻射比它要強(qiáng)百億倍。用一般的方法是得不到這么強(qiáng)的X光的，所以就要利用大型的加速器，電子的束流在磁場(chǎng)拐彎的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的X光，我們把它叫作同步輻射。利用專門(mén)的加速器來(lái)產(chǎn)生很強(qiáng)的同步輻射，這樣就能夠研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，比如說(shuō)上海同步輻射光源、北京同步輻射裝置、合肥同步輻射裝置。

散裂中子源產(chǎn)生中子，打在樣品上并產(chǎn)生相互作用以后，它的方向和動(dòng)量都改變了，用探測(cè)儀器把這個(gè)樣品包起來(lái)，看看入射進(jìn)來(lái)的中子經(jīng)過(guò)樣品之后的變化，反過(guò)來(lái)就可以用數(shù)學(xué)方法反推出它的結(jié)構(gòu)。

中子從哪兒來(lái)？自由的中子在正常的狀態(tài)之下，壽命很短，自然界中自由的中子壽命大概就是20分鐘，沒(méi)有辦法利用它。絕大部分的中子都是在原子核里，質(zhì)子、中子組成原子核，要得到自由的中子，需要從專門(mén)的大科學(xué)裝置來(lái)產(chǎn)生。這種裝置有兩類：一類是反應(yīng)堆。反應(yīng)堆的中子源是利用鈾-235裂變的時(shí)候產(chǎn)生中子，它的問(wèn)題是產(chǎn)生中子的時(shí)候，附帶產(chǎn)生很高的熱量，這樣就會(huì)產(chǎn)生一些危險(xiǎn)。比如2011年，日本福島核電站發(fā)生的事故。在世界上，現(xiàn)在能夠找到核反應(yīng)堆的地方，越來(lái)越困難，從環(huán)保的角度，這樣類型的反應(yīng)堆逐漸地淡出了。第二種產(chǎn)生中子的實(shí)驗(yàn)設(shè)施就是散裂中子源。它是用高能的質(zhì)子去打靶，產(chǎn)生中子，這樣就沒(méi)有反應(yīng)堆那樣很高的反應(yīng)熱的問(wèn)題，只要關(guān)掉電源，它就停止運(yùn)行，不會(huì)有任何安全問(wèn)題。所以現(xiàn)在發(fā)展的趨勢(shì)，就是逐步地用散裂中子源來(lái)代替反應(yīng)堆，從事中子散射的研究。

散裂中子源造價(jià)高、技術(shù)復(fù)雜，中子探測(cè)起來(lái)也非常困難，實(shí)驗(yàn)的難度非常高，所以在我們中國(guó)的散裂中子源建成之前，全世界只有3臺(tái)，分別在英國(guó)的盧瑟福實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)的橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室和日本的原子能機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)大約20年的謀劃和建設(shè)，2018年8月，中國(guó)自己的散裂中子源終于在廣東東莞“橫空出世”，正式投入運(yùn)行。由此，我國(guó)成為世界上第4個(gè)擁有這一科技“重器”的國(guó)家。

中國(guó)散裂中子源“初露鋒芒”

近年來(lái)，我國(guó)建成的上海光源、散裂中子源等大科學(xué)裝置，在提高自主創(chuàng)新能力方面發(fā)揮了重要作用，大大縮小了與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。與此同時(shí)，圍繞這些大科學(xué)裝置建成的科學(xué)與技術(shù)中心，也具有特殊的輻射、示范、引領(lǐng)作用，逐漸構(gòu)筑起了重要的創(chuàng)新“高地”。但是，打造大科學(xué)裝置與制造一般的科研儀器設(shè)施不同，需要在建設(shè)中研制大量的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，而且規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、投資巨大，需要匯集大批科學(xué)家和工程師，因此，會(huì)遇到工程建設(shè)與科學(xué)研究的雙重挑戰(zhàn)。

散裂中子源由三大部分構(gòu)成，包括加速器、重金屬的靶、譜儀。其中，所謂譜儀就是實(shí)驗(yàn)終端。中國(guó)散裂中子源，它的加速器包括兩部分，一部分是8000萬(wàn)電子伏特的質(zhì)子直線加速器，注入快循環(huán)同步加速器，跑兩萬(wàn)多圈，把它加速到16億電子伏特，能量提高20倍。然后就去打靶，是一個(gè)鎢靶，用水冷的鎢靶，效率非常高，能夠產(chǎn)生非常強(qiáng)又非常短的中子。我們?cè)诎姓镜闹車?，建設(shè)很多譜儀，把樣品放在譜儀的中間，用探測(cè)器把它包起來(lái)，這樣就能夠知道，中子打上去以后，發(fā)生了什么情況。這個(gè)樣品就像一張漁網(wǎng)，我們往漁網(wǎng)上扔好多玻璃球，有的球就穿過(guò)漁網(wǎng)的間隙走了，有的碰到漁網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)，它改變了方向。把所有的這些玻璃球的信息都測(cè)量出來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)方法，就可以反推出來(lái)這張網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，這就是中子散射的研究方法。

2017年8月28日，我們首次打靶成功，獲得了中子束流，而且中子的能譜，完全符合理論的計(jì)算。我們是一次打靶成功，調(diào)試的進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)際上其他散裂中子源。特別可喜的是，我們?cè)O(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)了90%，美國(guó)、日本的散裂中子源，都花費(fèi)十幾億美元，我們只用了18億元人民幣。2018年8月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收，獲得非常高的評(píng)價(jià)：裝置的整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理，靶站的最高中子效率和3個(gè)譜儀性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，顯著地提升了我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，使得我們國(guó)家在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大跨越，技術(shù)和綜合性能進(jìn)入國(guó)際同類裝置的先進(jìn)行列。

“國(guó)之重器”前途無(wú)量

作為一個(gè)用戶裝置，要求穩(wěn)定高效運(yùn)行。從2017年以來(lái)，我們的打靶功率節(jié)節(jié)提升，成功地達(dá)到了設(shè)計(jì)功率100千瓦的指標(biāo)，始終做到穩(wěn)定運(yùn)行。目前注冊(cè)的用戶超過(guò)了2000人，其中來(lái)自粵港澳大灣區(qū)的有四分之一，還包括港澳用戶55人，國(guó)外用戶42人，完成課題400多項(xiàng)，其中企業(yè)課題達(dá)到13%以上。在前沿科學(xué)研究和國(guó)家發(fā)展的一些關(guān)鍵領(lǐng)域，我們已經(jīng)發(fā)表了65篇文章。

新型的能源材料是我們工作的重點(diǎn)。因?yàn)樾履茉吹牟牧?，比如?chǔ)氫材料、鋰電池材料，還有燃料電池的核心就是氫、鋰和氧，而這3種元素都對(duì)中子研究非常有利，又很關(guān)鍵。比如鋰電池的研究，只有用中子才能夠搞清楚鋰電池的鋰在什么地方，它怎么運(yùn)動(dòng)，我們過(guò)去這兩年多的工作，鋰電池的研究是一個(gè)重點(diǎn)，獲得了很多成果。

散裂中子源研究所產(chǎn)生出來(lái)的新技術(shù)，還有一項(xiàng)是硼中子靶向治癌。硼中子靶向治癌，是一種新的精準(zhǔn)治療癌癥的二維技術(shù)，它是利用中國(guó)散裂中子源發(fā)展起來(lái)的技術(shù)所研制的。這種治療方法，相信會(huì)開(kāi)辟癌癥放射治療一個(gè)新的篇章。它最大的優(yōu)點(diǎn)，就是能夠治療那些彌散的，甚至擴(kuò)散的癌。我們正在進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，一年以后將要開(kāi)展臨床試驗(yàn)，完成了臨床試驗(yàn)以后，就可以進(jìn)行臨床治療。這種技術(shù)需要的靶向藥物，也是目前研究的熱點(diǎn)，希望國(guó)內(nèi)做藥、研究硼化學(xué)的相關(guān)人士一起努力，找到效果更好的靶向藥物，為人民健康服務(wù)。

中國(guó)散裂中子源現(xiàn)在還不能滿足國(guó)內(nèi)的需求，因?yàn)閲?guó)內(nèi)的用戶增長(zhǎng)非常迅速。2018年全世界發(fā)表的關(guān)于中子散射的文章，13%以上都有中國(guó)單位署名?，F(xiàn)在我們的束流時(shí)間供不應(yīng)求，2021年春天申請(qǐng)用戶的數(shù)目是2020年春天的兩倍，所以國(guó)家發(fā)展改革委已經(jīng)批準(zhǔn)了在“十四五”期間，進(jìn)行散裂中子源的二期工程。二期工程將增建11臺(tái)譜儀，這樣就覆蓋了用戶的各個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)把束流的功率，從現(xiàn)在的100千瓦提高到500千瓦，總投資30億元。

由于大科學(xué)裝置的社會(huì)影響和輻射效應(yīng)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)興建大科學(xué)裝置的熱情迅速提高，但是盲目上馬、低水平重復(fù)，會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。我們國(guó)家現(xiàn)在大科學(xué)裝置的數(shù)量及種類和發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)比較相近了，但是我們裝置的實(shí)驗(yàn)終端，它的數(shù)量和水平、研究工作的水平、科學(xué)產(chǎn)出和發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距比較大。我們最緊迫的不是動(dòng)員各個(gè)省市都去推動(dòng)同步輻射、上散裂中子源建設(shè)，而是集中力量辦大事，集中我們有限的財(cái)力物力、集中我們有限的隊(duì)伍，把我們的大科學(xué)裝置建好，真正讓它達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。必須繼續(xù)堅(jiān)持國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃和部署重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的原則，堅(jiān)持以國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略需求和用戶需求為導(dǎo)向，這是保證我們國(guó)家大科學(xué)裝置持續(xù)、健康發(fā)展的關(guān)鍵。