小粒子成就大世界 大裝置驅(qū)動(dòng)大未來(lái)
——專訪中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部副主任金大鵬

文/林世爵

[導(dǎo)語(yǔ)]

作為國(guó)之重器，中國(guó)散裂中子源（CSNS，以下簡(jiǎn)稱“散裂中子源”）是廣東乃至我國(guó)重要的戰(zhàn)略科技力量，積極融入和支撐國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略。一期工程建成以來(lái)，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、探測(cè)器及電子學(xué)等領(lǐng)域的技術(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。為全面展現(xiàn)散裂中子源建設(shè)成效，近日，本刊記者前往中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部專訪了該部副主任金大鵬研究員，聆聽關(guān)于散裂中子源的創(chuàng)新故事，感受大科學(xué)裝置的大與美。

中國(guó)散裂中子源俯瞰圖

十年磨劍鑄造大國(guó)重器

《廣東科技》：金主任，您好。請(qǐng)首先介紹一下散裂中子源的建設(shè)背景和基本情況。

金大鵬：中子散射就像“探針”，是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力手段之一。散裂中子源不使用核燃料、熱功率低、環(huán)境友好，因此成為了國(guó)際上先進(jìn)中子散射源的發(fā)展趨勢(shì)。位于東莞松山湖的這臺(tái)散裂中子源是世界第四臺(tái)、我國(guó)首臺(tái)脈沖式散裂中子源，同時(shí)也是粵港澳大灣區(qū)首個(gè)重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施。它的建成，不僅彌補(bǔ)了我國(guó)在脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，同時(shí)也對(duì)我國(guó)探索材料科學(xué)、生命科學(xué)、新能源等領(lǐng)域前沿科學(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。

中國(guó)散裂中子源總投資約23億元，由中國(guó)科學(xué)院和廣東省人民政府共同建設(shè)。2011年10月，項(xiàng)目在東莞奠基。2014年10月，加速器首臺(tái)設(shè)備進(jìn)入隧道安裝。2017年8月，散裂中子源首次打靶成功，順利獲得中子束流，為黨的十九大獻(xiàn)禮。2018年3月，散裂中子源按期高質(zhì)量完成了工程建設(shè)任務(wù)，建成了我國(guó)首臺(tái)散裂中子源。2018年8月，散裂中子源順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。當(dāng)時(shí)，國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)專家給了很高的評(píng)價(jià)，認(rèn)為散裂中子源的性能全部達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)，裝置整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理，研制設(shè)備質(zhì)量精良，靶站最高中子效率和3臺(tái)譜儀綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。同年9月底，散裂中子源正式對(duì)國(guó)內(nèi)外用戶開放，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

散裂中子源快循環(huán)同步加速器

散裂中子源靶站

探秘微觀世界的“超級(jí)顯微鏡”

《廣東科技》：作為探究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的利器，散裂中子源的主要裝置構(gòu)成和工作原理是怎樣的呢？

金大鵬：散裂中子源一期工程建設(shè)內(nèi)容包括1臺(tái)8千萬(wàn)電子伏特的直線加速器、1臺(tái)16億電子伏特的快循環(huán)同步加速器、1個(gè)靶站，以及3臺(tái)中子散射譜儀。其工作原理是將質(zhì)子加速到16億電子伏特，速度相當(dāng)于0.9倍光速，把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子序數(shù)很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質(zhì)子和中子，科學(xué)家通過(guò)圍繞樣品的譜儀“收集”中子，用于開展各種實(shí)驗(yàn)。由于中子不帶電，不易受到帶電質(zhì)子和電子的阻礙，能比其他探測(cè)方式更為輕松地穿透物質(zhì)。中子束打到被研究的樣品上，大多數(shù)會(huì)不受任何阻礙而穿過(guò)樣品，但有些中子會(huì)與研究對(duì)象的原子核發(fā)生相互作用，其運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生改變，向四周散射。測(cè)量中子散射的軌跡及其能量和動(dòng)量的變化，就可以精確地反推出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)?？梢哉f(shuō)，散裂中子源裝置就像一臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”，是研究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的理想“探針”。

打造粵港澳大灣區(qū)重要原始創(chuàng)新策源地

《廣東科技》：投入使用以來(lái)，散裂中子源在支撐相關(guān)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)方面發(fā)揮了哪些作用，取得了哪些重要成果？

金大鵬：散裂中子源支撐的學(xué)科研究和應(yīng)用領(lǐng)域眾多，是目前國(guó)際上公認(rèn)的，與大型光源互補(bǔ)卻發(fā)揮著無(wú)法取代作用的新一代科學(xué)研究和先進(jìn)材料研發(fā)的主流大科學(xué)裝置，其為來(lái)自基礎(chǔ)與應(yīng)用科學(xué)研究、工程和工業(yè)應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外用戶提供了一個(gè)開放的大型中子散射研究和應(yīng)用平臺(tái)。作為散裂中子源的重要組成部分，譜儀是開展中子散射實(shí)驗(yàn)的核心裝置，主要用于探測(cè)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。首批建成并已開放實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)申請(qǐng)的3臺(tái)譜儀分別為通用粉末衍射儀、多功能反射儀和小角散射儀。其中，通用粉末衍射儀主要用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)，應(yīng)用領(lǐng)域包括新型能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換材料、金屬及合金功能材料、磁性材料等；多功能反射儀通過(guò)分析來(lái)自樣品的反射中子，研究物質(zhì)的表面和界面結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括各種磁性薄膜、超導(dǎo)及拓?fù)浔∧ぁ④浳镔|(zhì)薄膜等；小角散射譜儀用于探測(cè)物質(zhì)體系在1納米～100納米尺度內(nèi)的微觀和介觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在高溫、低溫和磁場(chǎng)加載條件下對(duì)納米結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程的原位觀測(cè)，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括聚合物和超分子、生物大分子、先進(jìn)功能材料等。自建成投入使用以來(lái)，散裂中子源通過(guò)服務(wù)全球2000多家用戶，已經(jīng)完成了超過(guò)500項(xiàng)原創(chuàng)性課題研究，在磁性材料、納米功能材料、高效催化劑、有機(jī)太陽(yáng)能薄膜電池、高分子聚合物、生物大分子等領(lǐng)域取得了一批重大創(chuàng)新成果。此外，2020年8月，散裂中子源成功研制出我國(guó)首臺(tái)自主研發(fā)的加速器硼中子俘獲治療（BNCT）實(shí)驗(yàn)裝置。

助推粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新合作

《廣東科技》：作為粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的核心大科學(xué)裝置之一，散裂中子源為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)作出了重要貢獻(xiàn)。請(qǐng)問(wèn)散裂中子源在粵港澳科技合作方面主要開展了哪些工作，成效如何？

金大鵬：2019年2月18日，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布了《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確提出粵港澳大灣區(qū)建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心，并就構(gòu)建開放型區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新共同體、打造高水平科技創(chuàng)新載體和平臺(tái)、優(yōu)化區(qū)域創(chuàng)新環(huán)境提出規(guī)劃要求。散裂中子源是粵港澳大灣區(qū)首個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，它的建成為港澳地區(qū)諸多高校、科研機(jī)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)開展中子散射研究和應(yīng)用提供了重要平臺(tái)。比如，香港大學(xué)黃明欣團(tuán)隊(duì)通過(guò)散裂中子源發(fā)現(xiàn)了性能創(chuàng)世界紀(jì)錄的超級(jí)鋼；散裂中子源與香港城市大學(xué)王循理團(tuán)隊(duì)合作開展的非晶合金、高熵合金結(jié)構(gòu)研究，與澳門大學(xué)中藥國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作開展的藥物控釋研究，均取得了突破性研究成果。

在合作平臺(tái)建設(shè)方面，散裂中子源聯(lián)合東莞理工學(xué)院、香港城市大學(xué)建設(shè)多物理譜儀并于2021年1月26日成功出束，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首臺(tái)中子全散射譜儀的設(shè)備研制與安裝成功；中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與香港城市大學(xué)共同成立的中國(guó)科學(xué)院－香港地區(qū)中子散射科學(xué)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 于2019年3月正式揭牌；散裂中子源科學(xué)中心與香港城市大學(xué)、澳門大學(xué)、東莞理工學(xué)院共建的粵港澳中子散射科學(xué)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室于2020年1月15日正式揭牌，成為了粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的又一重要科研平臺(tái)。

散裂中子源聯(lián)合東莞理工學(xué)院、香港城市大學(xué)建設(shè)的多物理譜儀

《廣東科技》：今年是“十四五”規(guī)劃的開局之年，請(qǐng)介紹一下散裂中子源未來(lái)的發(fā)展方向或規(guī)劃。

金大鵬：散裂中子源的總體目標(biāo)是建設(shè)我國(guó)在相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)和高技術(shù)領(lǐng)域具備原始創(chuàng)新能力的團(tuán)隊(duì)，促進(jìn)我國(guó)科技和工業(yè)等方面技術(shù)的大力發(fā)展，盡早使我國(guó)中子散射技術(shù)研究和應(yīng)用全面進(jìn)入世界先進(jìn)行列。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們將從以下幾個(gè)方面著手：

一是充分發(fā)揮一期3臺(tái)譜儀在材料科學(xué)、生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué)等領(lǐng)域的作用，為廣大用戶提供國(guó)際先進(jìn)的研究平臺(tái)。二是結(jié)合國(guó)家和粵港澳大灣區(qū)的重大發(fā)展需求，積極整合國(guó)內(nèi)外高端創(chuàng)新資源，加快推動(dòng)用戶譜儀建設(shè)。目前，散裂中子源正在新建8臺(tái)合作譜儀，計(jì)劃在3年內(nèi)完成。未來(lái)的6年內(nèi)，散裂中子源規(guī)劃建設(shè)11臺(tái)二期譜儀和實(shí)驗(yàn)終端，并將加速器打靶功率從目前的100kW升級(jí)到500kW。此外，散裂中子源還將建設(shè)用戶實(shí)驗(yàn)室、高精度加工中心、散裂中子試驗(yàn)線站等輔助裝備和配套服務(wù)設(shè)施，為滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和開展前沿科學(xué)研究貢獻(xiàn)更多的動(dòng)能。

散裂中子源的建成恰逢其時(shí)，發(fā)揮了重要的、不可替代的作用，肩負(fù)著發(fā)展中國(guó)中子散射研究和應(yīng)用的重任，擔(dān)當(dāng)著粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心核心裝置的重托，同時(shí)也必將驅(qū)動(dòng)粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)與發(fā)展，不斷開創(chuàng)更加美好的未來(lái)。