作者陳和生肖像畫。 　　張武昌繪

中國散裂中子源大科學裝置所在地入口。 　　“南方＋”供圖

中國散裂中子源大科學裝置外景。 　　“南方＋”供圖

　　你知道怎樣準確診斷和預防航空發(fā)動機的“心臟病”嗎？那就要克服制約其性能的最大瓶頸之一——葉片金屬疲勞。金屬也會疲勞，每分鐘幾萬轉，轉得久了，就存在裂碎風險。散裂中子源可以用于航空發(fā)動機葉片應力測試，以探測和預防金屬疲勞。

　　你知道分布于深?；蜿懹蛴谰脙鐾林械目扇急鶈?？若要安全開采、儲藏、運輸和利用可燃冰，就需要了解其結構和性質?？扇急羌淄榕c水在高壓低溫條件下形成的結晶物質，科學家必須將其放在很厚的金屬容器內，模擬千米水深下的巨大壓力。中子對組成可燃冰的碳氫化合物最敏感，通過散裂中子源就可以隔著厚厚的金屬容器進行可燃冰研究。

　　研究電動汽車的電池性能，研究催化劑的作用機理，研究芯片的單粒子效應，研究高溫超導材料的自旋漲落，在這些領域，散裂中子源都能發(fā)揮關鍵作用。

　　在廣東省東莞市松山湖科學城，緊鄰高速公路，有一片依山而建、造型獨特的建筑群，山坡上矗立著“中國散裂中子源”幾個大字。中國散裂中子源（CSNS）是中國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，為國際前沿基礎科學研究和國家發(fā)展戰(zhàn)略諸多領域提供先進的中子散射研究和應用。它的成功建設，填補了國內脈沖中子源及應用領域的空白，技術和綜合性能進入國際同類裝置先進行列，顯著提升了中國在相關領域的技術水平和自主創(chuàng)新能力。

 

　　鑄造理想“探針”

　　物理學在過去一個世紀經歷了三次大的跨越，從原子物理深入到原子核物理，再深入到粒子物理。100多年前，科學家發(fā)現原子由原子核和電子組成，后來又發(fā)現原子核由質子和中子組成，從20世紀60年代開始，科學家逐步發(fā)現組成原子核的質子和中子是由更深層次的粒子——夸克組成的。

　　應該說，這三次大的跨越產生豐碩成果，在不斷深入到物質微觀結構新層次的研究過程中，物質結構理論取得重大突破，并且?guī)又卮蠹夹g發(fā)明，轉化成巨大生產力。我們現在用的半導體、電視、手機、計算機、激光以及全球定位系統(tǒng)，都是以20世紀物理學的研究成果為基礎發(fā)展起來的。

　　如何去研究微觀結構呢？我們在中學生物課上用顯微鏡來看花粉、看細胞。如果想看再精細一些的結構，可以用電子顯微鏡。想看更精細的，就要用到我們稱之為超級顯微鏡的散裂中子源、同步輻射光源等。散裂中子源作為一臺超級顯微鏡，是以中子為“探針”，看穿材料的微觀結構。

　　中子具備一些特性，如不帶電，但是有磁矩；能夠探測原子核的位置，探測同步輻射所不敏感的輕元素，比如碳、氫、氧、氮等元素的位置；穿透能力非常強，能夠用來原位研究大的工程部件的殘余應力和金屬疲勞；可以探測物質結構的微觀動態(tài)過程等。因此，它被科學家視作探索微觀世界的理想“探針”。當中子與被研究對象的原子核相互作用而改變運動方向時，科學家通過分析散射中子的軌跡、能量和動量變化，就能反推出物質的結構。這就好像我們不斷往一張看不見的網上扔彈珠，有的彈珠穿網而過，有的則打在網上，彈向不同角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡，就能大致推測出網的形狀。如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強，就能把這張網的組成精確地描繪出來。

　　建造中子“工廠”

　　中子其實在我們周圍到處都存在，但這些中子都被束縛于原子核中，無法自由運動。我們要用中子做探針，就需要自由的中子。自由的中子從何而來？這就需要專門產生大量自由中子的裝置，可以通俗地稱之為產生中子的“工廠”。這樣的“工廠”主要有兩類：一類是反應堆中子源，還有一類是散裂中子源，它通過高能質子束去轟擊重金屬靶，發(fā)生散裂反應，從而產生高通量短脈沖中子束流。國際上的先進中子源正在逐步從反應堆轉向散裂中子源，因為其性能更好，而且安全性更高。

　　物理學有一條基本規(guī)律，研究越小的尺度，需要越高的能量。隨著物質結構的研究深入到原子核和粒子的層次，研究物質微觀結構的尺度越來越小，就需要使用能量越來越高的粒子。加速器可以產生高能量粒子，加速器做得越大，能量有可能越高，于是催生了各種基于大型加速器的重大科技基礎設施，也稱大科學裝置。

　　這些大科學裝置具有鮮明的科學和工程雙重屬性，知識創(chuàng)新和科學成果產出豐碩，技術溢出、人才集聚效益非常顯著，因此往往成為國家創(chuàng)新高地的關鍵要素，是國之重器、科技利器。

　　2011年9月，中國散裂中子源裝置在廣東東莞開工建設。一期建設內容包括一臺8000萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、一個靶站，以及3臺供科學實驗用的中子散射譜儀。其工作原理是將質子加速到16億電子伏特，速度相當于0.92倍光速，把質子束當成“子彈”，去轟擊重金屬靶。金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家便通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。

　　散裂中子源裝置不僅極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復雜，制造和安裝過程克服了重重困難。裝置各項設備的批量生產由全國近百家合作單位完成，國產化率達90%以上，許多設備達到國際先進水平。2017年8月，中國散裂中子源首次打靶就成功獲得完全符合預期的中子束流。2018年，中國散裂中子源按指標、按工期高質量完成了工程建設任務，從此實現了強流質子加速器和中子散射領域的重大跨越，為物質科學、生命科學、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎研究和高新技術研發(fā)提供強有力支撐。

　　搭建交叉平臺

　　自中國散裂中子源通過國家驗收進入正式運行階段以來，已完成十多輪開放，每年運行時間超過5000小時，開放時長和效率都處于國際同類裝置的領先水平。目前已完成了超過1300個科研課題，取得了一批重要科學成果，如鋰離子電池、太陽能電池結構、稀土磁性、新型高溫超導、量子材料、功能薄膜、高強合金、芯片單粒子效應等，為國家諸多領域的戰(zhàn)略需求和高科技產業(yè)提供關鍵的研究平臺。在粵港澳大灣區(qū)，散裂中子源另外建設了8臺合作譜儀，已經陸續(xù)投入運行。

　　近年來，中國散裂中子源對國產高鐵車輪進行內部深度殘余應力測量，給出了高鐵車輪完整的應力數據，對高鐵安全性和提速具有重要意義；利用中子的穿透能力和對復雜組分的定量識別能力，解釋了創(chuàng)造世界紀錄的高屈服強度且韌性好的超級鋼的新機制；通過實時原位測量，研究汽車鋰電池的結構特征和鋰離子在充放電循環(huán)過程中的輸運行為，對鋰電池性能提高提供重要數據支撐；運行大氣中子譜儀，加速模擬宇宙射線打到大氣層產生的中子輻照環(huán)境，為解決電子元器件在大氣層內與地面的失效問題提供重要手段，為飛機適航論證和航空器安全提供研究平臺。

　　散裂中子源積極推動相關技術成果轉化。硼中子靶向腫瘤治療，是一種新的二元細胞級精準治療癌癥技術，利用中國散裂中子源發(fā)展起來的技術所研制的。硼中子俘獲治療項目作為推進散裂中子源技術產業(yè)化的第一個項目，臨床設備在東莞市人民醫(yī)院已完成安裝和調試，即將開始臨床試驗。

　　中國散裂中子源二期工程于2024年1月正式啟動。二期工程建成后，中國散裂中子源的譜儀數量將增加到20臺，加速器打靶束流功率將從一期的100千瓦提高到500千瓦。新的譜儀和實驗終端建成后，中國散裂中子源的設備研究能力將大幅提升，實驗精度和速度將顯著提高，能夠測量更小的樣品、研究更快的動態(tài)過程，為前沿科學研究、國家重大需求和國民經濟發(fā)展提供更先進的研究平臺。

　　中國散裂中子源的建成恰逢大科學裝置發(fā)展的好時代，肩負發(fā)展中國中子散射研究和應用的重任，為國家創(chuàng)新發(fā)展提供重要引擎，為實現高水平科技自立自強作出貢獻。

　?。ㄗ髡邽橹袊茖W院院士、中國散裂中子源工程指揮部總指揮）

 

　　中國科協科學技術傳播中心、陳嘉庚科學獎基金會與本報合作推出

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