散裂中子源，珠三角科技榮光

韓靜

經過兩個多月的暑期檢修，國家重大科技基礎設施中國散裂中子源9月26日開始新一輪開放運行。自去年8月23日投運至今，該項目已完成科研難題100多項，取得了諸多科研成果。而在粵港澳大灣區的框架之下，中國散裂中子源作為粵港澳大灣區首個重大科技基礎設施，正有力推動大灣區科技核心的形成，將為粵港澳大灣區的發展創造“無限可能”。

廣東東莞大朗鎮，是被稱為“國之重器”的大科學裝置——中國散裂中子源（CSNS）的基地。從2006年5月在這里選址，到2017年中子源首次打靶、順利產生第一束中子，再到2018年啟動首批實驗……中國科學院院士、散裂中子源工程總指揮陳和生帶領的中科院高能物理所散裂中子源項目團隊在這里奮斗了整整十三年。

如今，時值項目運轉一周年之際，作為全球第四臺、國內首臺的散裂中子源，位于廣東東莞的中國散裂中子源又有什么故事？建設效果如何呢？《小康》記者獲悉，從去年9月至今年6月，中國散裂中子源先后進行兩輪開放運行，用戶申請十分踴躍，機時供不應求，共完成用戶課題101個，其中來自香港地區以及國外的用戶課題11個。裝置圍繞國際科技前沿和國家重大需求，取得了多項成果，包括新型鋰離子電池材料結構、高強合金、太陽能電池結構、芯片中子單粒子效應等，同時也開展了航空材料、可燃冰、頁巖、催化劑等初步研究。

探秘微觀世界的“超級顯微鏡”

汽車從莞佛高速駛入“中子源路”，5分鐘車程便抵達位于東莞大朗的中國散裂中子源所在地。

占地400畝的中國散裂中子源一期項目園區，大片的綠地和現代化的建筑隨處可見。行政主樓大廳內，比例尺為1：60的沙盤模型甚是顯眼，可一覽園區全貌——由國家出資18.6632億建設的主裝置區位于園區南部，包括直線加速器、快循環同步加速器、靶站譜儀三個部分，其它建筑則是由廣東省和東莞市財政出資建設的輔助裝置區。

接受《小康》記者采訪的中科院高能物理研究所東莞分部（中國散裂中子源）相關負責人表示，中國散裂中子源的建成，填補了國內脈沖中子源及應用領域的空白，將為諸多領域的基礎研究和高新技術開發提供強有力的研究平臺，例如物質科學、生命科學、資源環境、新能源等。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、解決“卡脖子”問題具有重要意義。

陳和生曾將中國散裂中子源喻為一臺“超級顯微鏡”，這臺“超級顯微鏡”可帶我們探索肉眼無法看到的微觀粒子世界。而中子散射就像“探針”，是探索物質微觀結構的有力手段之一。

在中國散裂中子源園區地下18米左右的地方，盤踞著總長600多米的隧道。這條隧道里有一臺80兆電子伏特的負氫離子直線加速器和一臺16億電子伏特快循環質子同步加速器。

“散裂中子源裝置不僅造價高，而且技術復雜，是各種高、精、尖設備組成的整體。”中科院高能物理研究所副所長、東莞分部（中國散裂中子源）主任陳延偉介紹，裝置的工作原理是將質子加速到16億電子伏特，速度達到0.93倍光速，把質子束當成“子彈”，去轟擊原子系數很高的重金屬鎢靶，鎢原子核被撞擊出大量中子，科學家便通過特殊裝置利用中子，開展各種實驗。

事實上，CSNS的建設過程可謂排除萬難，從關鍵核心技術的掌握到設備安裝、工程管理，歷經重重挑戰。

例如，快循環同步加速器的25Hz交流磁鐵在我國屬首次研制，期間遇到了超乎想象的技術挑戰，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱都是以前經驗之外的新問題。“我們向美國、日本研究所專家請教，但他們只懂科學設計，關鍵技術掌握在國外大公司手中，不可能告訴我們。”中國散裂中子源工程副經理傅世年回憶。

于是，科研人員與工廠工程師咬緊牙關聯合攻關，6年間經過無數次失敗，改方案、換廠家，逐一攻破技術難關，終于靠自己的力量研制出合格的磁鐵。針對磁鐵磁場飽和這一難題，研發團隊還創新性地提出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場同步問題，其效果優于日本散裂中子源。

工程建設中遇到的最大挑戰，是土建工程延誤了1年多，這大大壓縮了設備安裝和調試時間。面對嚴峻的挑戰，CSNS的建設對國家承諾的竣工時間不能推遲，必須千方百計搶時間。

當時采取的主要措施是，將原定在隧道里測試老練的設備先在地面大廳安裝調試和老練，將通用設施的安裝與隧道土建施工交叉并行。這樣做大大增加了工作量和工程調度的難度，并可能帶來事故風險。但工程團隊毫不畏懼，經過幾百個日日夜夜的奮戰，終于趕回了工期。“連除夕夜我們都是在隧道里度過的。”回憶起那段日子，傅世年的語氣中滿是自豪。

在散裂中子源國際顧問委員會年度會議上，外國專家感嘆散裂中子源工程建設的“中國速度”：“難以想象你們在短短的一年內完成了如此大量的工作。”

2017年8月28日上午10時，CSNS靶站譜儀控制室內，科研人員凝視著屏幕，緊張待命。在陳和生一聲指令后，從加速器引出的質子束流首次打向金屬鎢靶，順利獲得中子束流。在場的工程人員激動地見證了這歷史性的一刻——中國散裂中子源首束中子產生，進入試運行！

2018年秋天，中國散裂中子源全部工程建設任務高質量完成，填補了國內脈沖中子應用領域的空白，建成國際先進水平的散裂中子源裝置。

中國散裂中子源國家驗收委員會專家認為，其性能全部達到或優于批復的驗收指標。同時認為，中國散裂中子源通過自主創新和集成創新，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相關產業的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。

“國之重器”賦能，為大灣區帶來無限可能

國家重大科技基礎設施是提升探索未知世界、發現自然規律、實現科技變革的重要平臺。國家重大科技基礎設施建設不僅對國家經濟社會和科技發展具有重大意義，對廣東凝聚和培養國內外頂尖科學家和研究團隊，促進重大原始創新和重大科技成果產出，推動廣東創新驅動發展、建設國際一流創新創業中心和珠三角國家自主創新示范區，同樣具有重大意義。

根據《廣東省推進基礎設施供給側結構性改革實施方案》，2017年到2020年，廣東省將投資約640億元，建設中國（東莞）散裂中子源、中微子二期實驗室（江門）、中國科學院（惠州）加速器驅動嬗變系統裝置和強流重離子加速器裝置等項目18項。

陳和生表示，珠三角經濟發達，把CSNS放在廣東是優化我國大科學裝置的布局，把中科院雄厚的科研實力與珠三角經濟結合起來，推動當地經濟進一步發展，同時更好輻射港澳及東南亞等地區，“CSNS的建成將為珠三角地區的科技創新和產業升級，為在珠三角地區建立國家科技產業創新中心提供一個強有力的支撐”。

陳和生說，CSNS從2006年起就開始在廣東選址，當時廣東推薦了多個城市，經過實地踩點和地質條件等方面的綜合比選，最終選址在東莞大朗，并開始勘探等前期研究工作。

地質結構符合要求，又靠近山體，有很好的基巖，水平面高，地下水對項目的影響少，同時旁邊就是高速公路，便于設備運輸和對外人員交流，這些因素最終讓CSNS項目落戶東莞大朗鎮。

東莞方面提出的“莞版創新20條”也明確提到要推進重大科技基礎設施建設與應用。高標準規劃、建設中子科學城，推進中子科學城與深圳光明科學城協同發展，共同打造綜合性國家科學中心核心區。加快布局建設散裂中子源二期、同步輻射光源、自由電子激光、智能超算平臺等一批大科學裝置，打造粵港澳大灣區大科學裝置集群。

如今依托散裂中子源，東莞松山湖高新區正規劃建設53.3平方公里的中子科學城，打造世界級科學基礎設施集群。“目前，圍繞散裂中子源集聚的科研平臺正有序推進。松山湖材料實驗室一期方案已基本穩定，中科院物理所珠三角分部、粵港澳交叉科學研究中心已掛牌，成功招引首批10個高水平科研團隊，南方光源項目已開展預制研究。我們將全力推動中子科學城與深圳光明科學城、港深落馬洲河套地區攜手共建綜合性國家科學中心。”談到散裂中子源帶來的機遇，東莞松山湖高新區黨工委副書記、管委會主任歐陽南江充滿期待。

事實上，散裂中子源正在惠及大灣區內眾多創新型企業。在松山湖高新區內，已經有企業成為散裂中子源相關實驗裝置的首批用戶，相關研究取得了重要實驗成果。

展望未來，隨著中國散裂中子源下一階段更多用戶譜儀的建設，其作為國家創新發展引擎的作用將愈加凸顯。

據介紹，除了首批建成的3臺譜儀，目前中國散裂中子源項目團隊正在積極籌劃“十四五”國家支持的后續譜儀建設項目，推動與粵港澳大灣區內相關大學和科研院所合作共建譜儀的建設。規劃的20臺譜儀全部建成后，將分別用于材料科學、生物醫藥、電子信息、機械制造等領域，不僅可為相關傳統產業突破核心技術、實現升級改造提供支撐，更可帶動粵港澳大灣區引入大量新興產業資源，如新型功能性材料產業、生物醫藥產業、硼中子俘獲治癌、環境監測等，推動新興產業的興起和飛躍。

編輯/麥婉華