“散裂中子源等一批具有國(guó)際一流水平的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)驗(yàn)收。”5月28日，在中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)和中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記的重要講話，讓中國(guó)散裂中子源團(tuán)隊(duì)感到無(wú)比的振奮。

從20世紀(jì)90年代末期的謀劃，到2011年10月在廣東東莞奠基;到2018年8月23日，通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行;再到如今用戶課題申請(qǐng)非常踴躍，實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)供不應(yīng)求……中國(guó)散裂中子源“橫空出世”，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，使得我國(guó)成為全世界第4個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國(guó)家。

中國(guó)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，已成為我國(guó)材料科學(xué)技術(shù)、物理、化學(xué)化工、生命科學(xué)、資源環(huán)境和新能源等學(xué)科的先進(jìn)、功能強(qiáng)大的科研平臺(tái)。

“超級(jí)顯微鏡”散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生

在現(xiàn)代科學(xué)產(chǎn)生之前，人類是用肉眼觀察世界。后來(lái)，科學(xué)家發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，第一次看到了肉眼無(wú)法直接觀察到的細(xì)胞和細(xì)菌等微觀世界。而電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡的分辨率更高，可以看到更小的病毒。

人類對(duì)微觀世界的探索隨著技術(shù)手段的提高，越來(lái)越走向深入，“超級(jí)顯微鏡”散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生。

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。

既然中子散射的用處如此之大，科學(xué)家們?nèi)绾潍@得實(shí)驗(yàn)用的中子?中子在正常狀態(tài)下，被原子核緊緊束縛著，并不能輕易地離開(kāi)原子核;盡管自然界中存在自由中子，但這些中子的壽命很短，最多只能存在15分鐘，且不易收集。于是科學(xué)家們要建設(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。

之前，世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源只有英國(guó)的ISIS、美國(guó)的SNS和日本的J-PARC。中國(guó)科學(xué)家意識(shí)到，只有建設(shè)自己的散裂中子源，才能擁有自己的“火眼金睛”，不需要依賴別人的“眼睛”去探索微觀世界。

建設(shè)中國(guó)散裂中子源的建議，起源于20世紀(jì)90年代末期關(guān)于中國(guó)高能物理發(fā)展戰(zhàn)略的研究。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和中國(guó)原子能科學(xué)研究院的老科學(xué)家們指出了建設(shè)散裂中子源對(duì)國(guó)家科技發(fā)展的必要性。1999年9月份，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與中國(guó)原子能科學(xué)研究院向科技部提交了建設(shè)散裂中子源的建議。2000年8月份，兩家單位正式提出國(guó)家重大科學(xué)工程——“多用途中子科學(xué)裝置脈沖強(qiáng)中子源”項(xiàng)目建議。

經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家的深入討論和研究，散裂中子源被列入了國(guó)家“十一五”大科學(xué)裝置建設(shè)計(jì)劃。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和物理研究所的科學(xué)家們開(kāi)始著手設(shè)計(jì)和預(yù)制研究。

2006年5月，中國(guó)散裂中子源最后選擇了東莞市大朗鎮(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，工期6年半。2012年5月，中國(guó)散裂中子源工程土建動(dòng)工。

工程建設(shè)過(guò)程中的“攔路虎”被一一干掉

中國(guó)散裂中子源建在13米到18米深的地下，其中直線加速器隧道長(zhǎng)240米，環(huán)形加速器周長(zhǎng)228米，相當(dāng)于半個(gè)足球場(chǎng)大小。其建設(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)16億電子伏特的快循環(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。

中國(guó)散裂中子源裝置不僅極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復(fù)雜，制造和安裝過(guò)程面對(duì)許多困難。

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介紹，快循環(huán)同步加速器的25赫茲(Hz)交流磁鐵在我國(guó)屬首次研制，其間遇到了超乎想象的技術(shù)挑戰(zhàn)，鐵芯和線圈的振動(dòng)開(kāi)裂、渦流發(fā)熱等都是以前經(jīng)驗(yàn)之外的新問(wèn)題。

“關(guān)鍵技術(shù)掌握在國(guó)外大公司手中，要不來(lái)，買不來(lái)。我們的科研人員與工廠技師聯(lián)合攻關(guān)，經(jīng)過(guò)6年時(shí)間，改方案、換廠家，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。”金大鵬說(shuō)。

另外，針對(duì)磁鐵磁場(chǎng)飽和，科研人員還創(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)于國(guó)外散裂中子源。

除了設(shè)備，工程建設(shè)也是一個(gè)“攔路虎”。

由于地質(zhì)原因，加速器隧道等土建工程延誤了1年多，大大壓縮了設(shè)備安裝和調(diào)試的時(shí)間。整個(gè)工程能否按原定工期竣工驗(yàn)收成為一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵時(shí)刻，團(tuán)隊(duì)決心“后墻不倒”，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。

于是將原定在隧道里測(cè)試好的設(shè)備先在地面大廳安裝調(diào)試，建設(shè)人員經(jīng)過(guò)幾百個(gè)日日夜夜的奮斗，終于趕回了工期。

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)專家感嘆中國(guó)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?年完成了如此大量的工作”。

從工程動(dòng)工起，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)散裂中子源工程總指揮陳和生就把東莞當(dāng)成自己的第二個(gè)家。對(duì)于自己的付出，他渾然不覺(jué)，反而很心疼團(tuán)隊(duì)里的年輕人。

“過(guò)年的時(shí)候堅(jiān)持調(diào)試運(yùn)行，年輕人沒(méi)有任何怨言、積極參加，我感到很高興。”陳和生說(shuō)，這些年的努力，不僅把工程完成了，把年輕的隊(duì)伍也培養(yǎng)起來(lái)了。

記者了解到，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部已培養(yǎng)出了一支年輕隊(duì)伍，近400名科研工程人員，平均年齡36歲。

3臺(tái)譜儀綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

對(duì)中國(guó)散裂中子源來(lái)說(shuō)，2018年8月23日是個(gè)難忘的日子。經(jīng)過(guò)十余年的籌備和6年半的建設(shè)，當(dāng)天中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式投入運(yùn)行。

驗(yàn)收委員會(huì)專家認(rèn)為，中國(guó)散裂中子源的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。裝置整體設(shè)計(jì)先進(jìn)，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。

驗(yàn)收委員會(huì)專家還認(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。例如，國(guó)內(nèi)首次研制成功25Hz交流諧振勵(lì)磁的大型磁鐵、中子靶站等。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、著名物理學(xué)家李政道先生獲悉后，給陳和生院士發(fā)來(lái)祝賀，并衷心希望祖國(guó)科學(xué)家利用中國(guó)散裂中子源做出世界一流實(shí)驗(yàn)成果，為發(fā)展先進(jìn)科技立功。

2019年2月19日，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、著名物理學(xué)家楊振寧先生到東莞訪問(wèn)中國(guó)散裂中子源。他對(duì)項(xiàng)目的成功建設(shè)表示贊賞，對(duì)項(xiàng)目滿足國(guó)家前沿科學(xué)研究和國(guó)家戰(zhàn)略需求發(fā)揮的積極作用表示肯定。

驗(yàn)收通過(guò)后，中國(guó)散裂中子源的科研人員并沒(méi)有停下奮斗的腳步，而是朝著更高的目標(biāo)前進(jìn)。

根據(jù)國(guó)際同類裝置的調(diào)試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)散裂中子源最初考慮在項(xiàng)目驗(yàn)收之后3年內(nèi)，即至2021年8月束流功率達(dá)到100千瓦設(shè)計(jì)指標(biāo)。

鉚足勁的科研人員一心想著通過(guò)努力，把時(shí)間往前趕。2020年2月28日，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。

“我們國(guó)家想要做國(guó)際最先進(jìn)的科學(xué)研究，需要做出最好的研究平臺(tái)。所以散裂中子源第一次打靶成功時(shí)，就是我們最高興的時(shí)候。”5月22日，在“科普中國(guó)—我是科學(xué)家”第34期專題活動(dòng)上，陳和生院士說(shuō)。

中國(guó)散裂中子源自2018年9月開(kāi)放運(yùn)行至今，共完成五輪用戶實(shí)驗(yàn)，正在進(jìn)行第六輪，用戶課題申請(qǐng)非常踴躍，實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)供不應(yīng)求，五輪共完成國(guó)內(nèi)外科研與工業(yè)界的課題500余項(xiàng)(含國(guó)外和港澳課題30余項(xiàng))，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。

金大鵬介紹，目前中國(guó)散裂中子源正在建設(shè)合作譜儀，并申請(qǐng)二期建設(shè)，以更好地滿足國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和國(guó)際前沿研究對(duì)中子散射研究和應(yīng)用的迫切需求。

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)域的具備原始創(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)的發(fā)展，至2030年，帶領(lǐng)我國(guó)中子散射技術(shù)和應(yīng)用科學(xué)全面進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

標(biāo)簽： 超級(jí)顯微鏡 中子源 需求 滿足