中國散裂中子源靶站

撰文 | 李大慶（科技日報記者） 張瑋（通訊員）

3月2日，繼物理學家、諾貝爾獎獲得者楊振寧到訪後，位於廣東東莞的中國散裂中子源基地又迎來了新一波參觀的客人。中科院院士陳和生向來訪的外國駐港領團、商會、媒體考察團一行詳細介紹了粵港澳大灣區的首個國家重大科技基礎設施——中國散裂中子源（CSNS）。

今年春節前夕，CSNS圓滿完成了首輪開放運行任務，加速器束流功率提升至50千瓦以上。CSNS工程總指揮、工程經理陳和生院士說，首輪開放運行期間，共有來自新能源、磁性材料、高性能合金、高分子、納米、生物材料等研究領域的40項用戶課題（含8項快速申請課題）上機實驗，取得了多項重要成果。

從無到有 實現重大跨越

2000年7月，中國科學院在向國家科教領導小組提交的“中國高能物理和先進加速器發展目標”報告中提出建設中國散裂中子源的設想。2011年10月，CSNS裝置奠基，2012年5月，工程土建動工。經過6年半的建設，2018年3月，CSNS按期、高質量完成了全部工程建設任務，並通過了中國科學院組織的工藝鑑定和驗收。中國人從此擁有了自己的散裂中子源。

CSNS建在13米到18米深的地下，其中直線加速器隧道長240米，環形加速器周長228米，相當於半個足球場大小。其建設內容包括一臺8千萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特快循環同步加速器、一個靶站以及一期三臺供科學實驗用的中子散射譜儀。

CSNS的建成，填補了國內脈衝中子應用領域的空白，爲材料科學技術、物理、化學化工、生命科學、資源環境和新能源等諸多領域的基礎研究和高新技術開發提供了強有力的研究平臺。它的投入運行，對我國探索前沿科學問題、攻克產業關鍵核心技術等具有重要意義。

國家驗收委員會專家認爲，CSNS的性能全部達到或優於批覆的驗收指標。裝置整體設計科學合理，研製設備質量精良，靶站最高中子效率和三臺譜儀綜合性能達到國際先進水平。通過自主創新和集成創新，CSNS在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術成果，顯著提升了我國在高功率散裂靶、磁鐵、電源、探測器及電子學等領域的產業技術水平和自主創新能力，使我國在強流質子加速器和中子散射領域實現了重大跨越。

探祕微觀 深入認知世界

通俗來說，CSNS是用中子散射的方式來探索微觀世界的工具，陳和生形象地稱它就像“超級顯微鏡”，是研究物質材料微觀結構的理想探針。

在現代科學誕生之前，人類是用肉眼觀察世界。後來，科學家發明瞭光學顯微鏡，我們第一次看到了肉眼無法直接觀察到的微觀世界。而電子顯微鏡比光學顯微鏡的分辨率還要高1000倍左右，可以看到更小的病毒。人類對微觀世界的探索隨着技術手段的提高，越來越走向深入，“超級顯微鏡”散裂中子源應運而生。

中子散射是探索物質微觀結構的有力手段之一。中子和光一樣，具有波粒二象性，既有波的性質，可以反射、折射、衍射、吸收，也具有粒子的性質，可以彈射、散射等。中子由於不帶電，不易受到帶電質子和電子的阻礙，能比其他探測方式更爲輕鬆地穿透物質。中子束打到被研究的樣品身上，大多數會不受任何阻礙地穿過樣品，但有些中子會與研究對象的原子核發生相互作用，其運動方向也會發生改變，向四周散射。測量中子散射的軌跡及其能量和動量的變化，就可以精確地反推出物質的結構。

中子散射和我們熟悉的X射線類似。X射線散射對含電子數目多的原子比較敏感，但要探測氫原子等輕元素就十分困難了。中子散射則對原子核敏感，特別是對碳、氫、氧等原子核敏感，還可以區分同位素。研究含有大量氫、氧、氮原子的生物大分子，中子散射具有更大的優勢。

首輪開放 運行效果良好

在產業中如何應用這臺“超級顯微鏡”？陳和生舉了幾個例子。

“在氫動力汽車研發中，要實現氫氣的穩定儲存，方法之一就是用一種金屬-有機框架（MOF）材料把氫氣吸進去，要用的時候再把氫氣釋放出來。而中子散射可以幫助科學家研究氫氣存在金屬的什麼位置、什麼情況下可以更好地釋放。”陳和生告訴記者，這正是散裂中子源應用的一個具體案例。

此外，中子散射還是鋰電池研究的利器。“大幅度提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關鍵，可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設備放入中子散射譜儀，實時原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分性能的變化，爲改進和優化鋰電池的設計提供關鍵數據。國外的散裂中子源都建設了這樣專門研究鋰電池的譜儀，且嚴加保密。”陳和生補充說，“此外，可燃冰、磁性材料以及化學反應催化劑的原位研究等，都必須使用散裂中子源。”

CSNS啓動運行後，國內外用戶申請非常踊躍，大科學裝置的綜合效應開始逐步顯現。首輪共收到用戶課題申請62項，覆蓋能源、磁性、合金、高分子、納米、生物材料等研究領域。經過專家評審，32項用戶課題（含5項國外用戶課題）獲批實驗機時。爲了使用戶更好地開展中子散射研究，CSNS還舉辦了“中子科學與技術在電池領域中的應用前沿研討會”“可燃冰研發中的中子科學技術應用研討會”“散裂中子源在催化、能源、材料及相關過程的應用前沿研討會”等專題會議。

陳和生介紹，首輪開放中，還基於CSNS的反角白光中子實驗裝置全面開展了用戶實驗，包括5個重要核數據的測量實驗，這些核數據是新一代核能工程所需要的或者測量實驗是基礎核物理和核天體物理的重要研究內容；開展了200多個集成電路芯片的高能中子單粒子效應研究；開展了利用中子輻照研發新型半導體材料的實驗等。

中科院高能物理所副所長、東莞分部主任陳延偉說，第二輪運行開放時間爲2019年2月12日至6月30日，目前已收到用戶課題申請76項（含港澳地區6項，國外2項），正由專家進行評審。

爲粵港澳大灣區插上創新翅膀

中國散裂中子源工程總指揮、工程經理，中科院院士陳和生

在廣東東莞一片鬱鬱蔥蔥的荔枝林裏，坐落着我國迄今爲止單項投資規模最大的大科學工程——中國散裂中子源。這項“國之重器”由中科院和廣東省共同建設，在材料科學和技術、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域具有廣泛應用前景，將爲我國產生高水平的科研成果提供有力支撐，併爲解決國家發展戰略需求的許多瓶頸問題提供最先進的平臺。

2006年2月，我在參加廣東省發改委舉行的一項研討會時，談到散裂中子源正在尋找合適的建設地點。廣東省發改委領導立即向省裏彙報，希望促進珠三角科學研究的發展，推動一些大型科研項目的實施。3月，廣東省和中科院對接後認爲，可以在珠三角爲散裂中子源找個地方落戶。5月，我們到廣東省發改委推薦的珠海、廣州蘿崗和東莞實地進行考察。綜合各方面的條件，我們認爲東莞最爲合適，並最終選中了大朗鎮的水平村。

2011年10月，總投資23億元的中國散裂中子源裝置終於在東莞奠基，工期6年半。2012年5月，散裂中子源工程土建動工。散裂中子源裝置不僅造價高，而且技術複雜，是各種高、精、尖設備組成的整體。科研人員開展了一系列關鍵技術的預製研究工作，攻克了衆多技術難題。各項設備的批量生產由全國近百家合作單位完成，許多設備的研製達到國內外先進水平，設備國產化率達到90%以上，有力地促進了我國相關領域高技術的發展。

散裂中子源支撐的學科研究和應用領域衆多，是目前國際上公認的、與大型光源互補併發揮着其無法取代作用的新一代科學研究和先進材料研發的主流大科學裝置。中國散裂中子源的成功建設，也將爲香港和澳門地區諸多學科的中子散射研究和應用提供重大發展機遇。散裂中子源落戶東莞後，港澳地區的許多大學“近水樓臺先得月”，已經開始吸引中子散射研究和應用的人才，建設相關的學科。香港城市大學和香港科技大學的主要領導先後訪問了散裂中子源，討論合作。香港城市大學與散裂中子源、東莞理工學院合作，正在建設多物理譜儀。中國科學院和香港裘槎基金從2015年開始支持散裂中子源和香港城市大學建立中子散射聯合實驗室，加速推動新增譜儀和其他中子散射交叉學科應用型裝置的建設。

中國散裂中子源的總體目標是建設我國在相關基礎科學和高技術領域的具備原始創新能力的團隊，促進我國科技、工業和國防等方面技術的大力發展，至2030年，帶領我國中子散射技術的研究和應用科學界全面進入世界先進行列。

實現這一目標主要從以下幾個方面着手：第一，充分發揮一期三臺譜儀，即通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀在材料科學、生命科學、凝聚態物理和化學等領域的作用，爲廣大用戶提供國際先進的研究平臺。第二，中國散裂中子源下一階段譜儀的選擇及其性能指標應認真聽取用戶的意見，同時吸取國際先進經驗，突出譜儀的特色和優勢，特別應結合華南地區，尤其是廣東、香港等地發展戰略需求，培養和擴大中子散射用戶羣體。第三，與用戶單位合作，利用各方面資源，積極推動用戶譜儀的建設。第四，中國散裂中子源靶站500kW升級將使中子通量水平提升5倍。中子通量增加後，可開展更小樣品的研究以及更短時間尺度的實時研究，並適度提升大部分譜儀的分辨率，大幅縮短高分辨模式實驗的時間，從而大幅提升中子散射譜儀的性能和研究能力。

散裂中子源建成後，將肩負發展中國中子散射研究和應用的重任。作爲國家科技產業創新中心的核心裝置，中國散裂中子源也必將推動粵港澳大灣區的建設與發展，成爲打造國家創新發展的重要引擎。

“這對全球科學家也同樣意義重大”

中國散裂中子源主裝置區

到目前爲止，世界上已經建成的散裂中子源共有4臺：美國、日本、英國和中國各有1臺。作爲世界四大脈衝散裂中子源之一，中國散裂中子源具有很強的國際競爭力，可長期滿足國內需求。中國散裂中子源自建成以來，受到了海外科技界的高度評價。

2018年11月12日至14日，中國散裂中子源國際顧問委員會第10次評審會召開。來自英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室、日本J-PARC國家實驗室等科研機構的國際知名專家，對裝置的建設和調試給予了高度評價。

國外專家指出，中國散裂中子源建設團隊克服困難，取得了成功，彰顯了他們的能力和實力，以及整個團隊堅韌不拔和勇於奉獻的精神。工程取得了許多里程碑式的進展，先後通過了工藝鑑定驗收和國家驗收，完成了多個用戶實驗，並取得初步成果，加速器供束效率超過94%。專家們希望中國散裂中子源團隊能夠再接再厲，努力迎接下一步挑戰，保證用戶運行時間，完成後續譜儀建設，進一步提高束流功率。

國際著名科學期刊《自然》在中國散裂中子源建設即將完工前發表文章。文章引用中科院外籍院士、世界高溫高壓研究領域傑出科學家毛河光的話說：“中國散裂中子源中的儀器對地球、環境和能源科技，以及物理、化學、材料科學而言將是極爲有價值的。”“我非常激動，整個中子研究界也非常激動。”

文章指出，位於東莞的中國散裂中子源，讓國內越來越多的頂級物理學家、材料學家以及他們的全球合作伙伴得以在多個物理和工程領域參與競爭。其設計者亦希望這一設施能夠引領商業產品和技術應用——從電池和橋樑，到飛機引擎和癌症療法，無所不包。“這不僅是中國科學家的重要一步，對全球科學家也同樣意義重大。”香港城市大學物理學家王循理如是說。

來源：《科技日報》 2019-03-12 08版