散裂中子源科學(xué)中心：“國(guó)之重器”為粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新插上“翅膀”

文/馮海波

[導(dǎo)語(yǔ)]

在東莞松山湖一片郁郁蔥蔥的荔枝林里，坐落著我國(guó)迄今為止單項(xiàng)投資規(guī)模最大的大科學(xué)工程——中國(guó)散裂中子源。這一“國(guó)之重器”由中國(guó)科學(xué)院和廣東省共同建設(shè)，它使得我國(guó)成為世界上第四個(gè)擁有散裂中子源的國(guó)家。中國(guó)散裂中子源為我國(guó)材料科學(xué)、物理、化學(xué)化工、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等領(lǐng)域的國(guó)家戰(zhàn)略需求和前沿科學(xué)研究提供了最先進(jìn)的大型交叉平臺(tái)，成為支撐粵港澳大灣區(qū)綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心大科學(xué)裝置之一，為粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新插上“翅膀”。由散裂中子源科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院完成的“散裂中子源國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”項(xiàng)目獲得2021年度廣東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。

在珠三角地區(qū)建起“中子工廠”

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)散裂中子源工程指揮部總指揮陳和生介紹，散裂中子源就像“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?！爸凶由⑸涞挠锰幏浅４螅茖W(xué)家們要獲得實(shí)驗(yàn)用的中子，就需要建設(shè)一個(gè)類似于‘中子工廠’的大科學(xué)裝置，源源不斷地產(chǎn)生中子?！彼硎?，散裂中子源的工作原理是將質(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”，去轟擊原子系數(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)家便通過(guò)特殊的裝置“收集”中子，開(kāi)展各種實(shí)驗(yàn)。2006年1月，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了散裂中子源的預(yù)制研究項(xiàng)目。同年，項(xiàng)目選擇落戶廣東東莞大朗鎮(zhèn)。2011年10月，總投資23億元的中國(guó)散裂中子源裝置終于在東莞奠基，結(jié)束了珠三角地區(qū)無(wú)國(guó)家大科學(xué)裝置的歷史。

2012年5月，中國(guó)散裂中子源動(dòng)工建設(shè)。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，建設(shè)內(nèi)容包括一臺(tái)8千萬(wàn)電子伏特的直線加速器、一臺(tái)16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站，以及一期三臺(tái)供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀。裝置各項(xiàng)設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國(guó)近百家合作單位完成，許多設(shè)備的研制達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，有力地促進(jìn)了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域高技術(shù)的發(fā)展。

在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了重大創(chuàng)新研究

中國(guó)散裂中子源已經(jīng)成為粵港澳大灣區(qū)核心大科學(xué)裝置之一

2017年秋天，中國(guó)散裂中子源首次打靶成功，獲得完全符合預(yù)期的中子束流，調(diào)試速度遠(yuǎn)超國(guó)外的散裂中子源。2018年8月23日，中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)行，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，技術(shù)和綜合性能進(jìn)入國(guó)際同類裝置先進(jìn)行列。2020年2月28日，中國(guó)散裂中子源打靶束流功率達(dá)到100千瓦的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并開(kāi)始100千瓦穩(wěn)定供束運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)間比原計(jì)劃提前一年半。2022年4月，中國(guó)散裂中子源大氣中子輻照譜儀成功出束，這是繼多物理譜儀后完成建設(shè)的第二臺(tái)合作譜儀，可提供與大氣中子能譜相匹配、能量范圍覆蓋meV～GeV的高通量中子束流。

自中國(guó)散裂中子源通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收、進(jìn)入正式運(yùn)行以來(lái)，裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠高效。從2018年9月至今，中國(guó)散裂中子源已完成六輪運(yùn)行，注冊(cè)用戶超3800人，完成課題800余項(xiàng)，在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了重大創(chuàng)新研究，已在Science、Nature Communication、Advanced Materials、JACS等期刊發(fā)表文章，并為部分國(guó)家重大需求和產(chǎn)業(yè)界需求提供技術(shù)支撐。裝置解決了航空發(fā)動(dòng)機(jī)單晶葉片和軸承、深海潛水器、高鐵輪轂系統(tǒng)等大型工程部件殘余應(yīng)力和服役性能檢測(cè)問(wèn)題，為高性能結(jié)構(gòu)材料的微觀探測(cè)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，也是新能源鋰電與儲(chǔ)氫材料以及半導(dǎo)體芯片等材料檢測(cè)不可替代的研究平臺(tái)。

將為粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新提供重要支撐

陳和生院士表示，中國(guó)散裂中子源布局在東莞，意義重大。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，它建成的最直接效益就是為科研工作者帶來(lái)研究的“利器”，特別是為港澳科學(xué)家使用散裂中子源提供了前所未有的便利。同時(shí)，粵港澳大灣區(qū)是全國(guó)先進(jìn)制造業(yè)高地，對(duì)材料科學(xué)研究有著迫切的需求。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)，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。

散裂中子源落戶東莞后，已經(jīng)吸引中子散射研究和應(yīng)用的人才，建設(shè)相關(guān)的學(xué)科，港澳地區(qū)的許多大學(xué)“近水樓臺(tái)先得月”，如香港城市大學(xué)與散裂中子源和東莞理工學(xué)院合作，建設(shè)多物理譜儀。散裂中子源科學(xué)中心還與香港城市大學(xué)、澳門大學(xué)、東莞理工學(xué)院共建粵港澳中子散射科學(xué)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并于2020年1月15日正式揭牌，實(shí)驗(yàn)室將成為粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的重要科研平臺(tái)。

陳和生院士介紹，散裂中子源二期工程已于2021年上半年正式納入了國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十四五”規(guī)劃。他表示，中國(guó)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、工業(yè)等方面技術(shù)大力發(fā)展，至2030年，帶領(lǐng)我國(guó)中子散射技術(shù)研究和應(yīng)用科學(xué)界全面進(jìn)入世界先進(jìn)行列。按照這一目標(biāo)，散裂中子源裝置未來(lái)的譜儀數(shù)量將增至20臺(tái)，覆蓋廣大用戶及各個(gè)研究領(lǐng)域，加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦，設(shè)備研究能力大幅度提升，可大大提高實(shí)驗(yàn)的精度和速度，測(cè)量更小的樣品，研究更快的動(dòng)態(tài)過(guò)程，滿足國(guó)內(nèi)外更多用戶需求，為前沿科學(xué)研究、國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更先進(jìn)的研究平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)作出更多貢獻(xiàn)。