陳和生 | 中國(guó)散裂中子源

物理、化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)大約一半都跟大科學(xué)裝置有關(guān)。

或是提出來的新思想在大科學(xué)裝置上得到了驗(yàn)證，

或是大科學(xué)裝置提供了最先進(jìn)的研究手段，

發(fā)現(xiàn)了重大科學(xué)突破或得到新的技術(shù)發(fā)明。

陳和生 · 中國(guó)科學(xué)院院士 散裂中子源工程指揮部總指揮

格致論道·灣區(qū) | 2019年5月19日 廣州

▲ 中國(guó)散裂中子源

這是位于廣東東莞大朗的中國(guó)散裂中子源，占地面積大概400畝，是一個(gè)典型的大科學(xué)裝置。在它的前面 ，是珠三角環(huán)線高速G94的支線——9411，連接虎門到惠州。

我們?yōu)槭裁匆ㄉ⒘阎凶釉?？我們?yōu)槭裁催x在廣東東莞？我們建設(shè)的成果怎樣？初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果怎樣？

▲ 二十世紀(jì)：物理學(xué)的世紀(jì)

20世紀(jì)的物理學(xué)經(jīng)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。一百多年前，我們發(fā)現(xiàn)了原子是由原子核和電子組成的，后來我們又發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子組成的。從上世紀(jì)60年代開始，我們逐步發(fā)現(xiàn)組成原子核的質(zhì)子和中子又是由夸克組成的。

應(yīng)該說，20世紀(jì)物理學(xué)的三次跨越，獲得了巨大的研究成果，轉(zhuǎn)換成了巨大的生產(chǎn)力。比如現(xiàn)在廣泛利用的核電、半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)、GPS等，它們都離不開過去這一個(gè)世紀(jì)物理學(xué)的進(jìn)步。

同時(shí)，這些技術(shù)對(duì)社會(huì)和政治產(chǎn)生了極為深刻的影響。一方面，核武器始終是非常嚴(yán)峻的國(guó)際政治問題。另一方面，我們現(xiàn)在廣泛使用的互聯(lián)網(wǎng)也是在上個(gè)世紀(jì)物理學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究當(dāng)中發(fā)明出來的。

物理學(xué)的三次跨越不僅為物理學(xué)的發(fā)展提供了服務(wù)，更產(chǎn)生了先進(jìn)的研究手段，包括同步輻射光源、散裂中子源等大科學(xué)裝置。

國(guó)家綜合實(shí)力的象征

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隨著對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究深入到原子核和粒子層次，我們就需要能量越來越高的粒子來研究越來越小的尺度，這就要利用大科學(xué)裝置。

中國(guó)的大科學(xué)裝置建設(shè)起源于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。這是上世紀(jì)80年代中期，鄧小平同志的一個(gè)重大決策。他說：我們建設(shè)正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，就是為了讓中國(guó)的高科技在世界上占有一席之地。應(yīng)該說，小平同志的戰(zhàn)略目標(biāo)正在逐步實(shí)現(xiàn)。

大科學(xué)裝置有兩類，一類是粒子物理和核物理專用的加速器、核聚變裝置、大型的天文望遠(yuǎn)鏡如貴州的“天眼”等；還有一類是同步輻射裝置、散裂中子源、自由電子激光等等。

大科學(xué)裝置被稱為“重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施”、“大科學(xué)工程”，成為國(guó)家科技創(chuàng)新體系的關(guān)鍵單元之一，是國(guó)家綜合實(shí)力的象征。

幾十年來，基于大科學(xué)裝置的研究獲得了重大科學(xué)突破，大裝置的建設(shè)、運(yùn)行和研究都產(chǎn)生了很多重大科學(xué)技術(shù)革新，有力地推動(dòng)了高新技術(shù)的發(fā)展。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，物理、化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)大約一半都跟大科學(xué)裝置有關(guān)?；蚴翘岢鰜淼男滤枷朐诖罂茖W(xué)裝置上得到了驗(yàn)證，或是大科學(xué)裝置提供了最先進(jìn)的研究手段，發(fā)現(xiàn)了重大科學(xué)突破，或得到新的技術(shù)發(fā)明。

為什么要建設(shè)散裂中子源？

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▲ 1994年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

中子散射是探測(cè)物質(zhì)的超級(jí)顯微鏡。加拿大的布羅克豪斯和美國(guó)的沙爾首先提出了這個(gè)創(chuàng)新的思想。布羅克豪斯提出，中子的散射可以探測(cè)原子、分子及其團(tuán)簇的位置，而沙爾認(rèn)為不僅可以探測(cè)位置，還可以探測(cè)它的運(yùn)動(dòng)。所以他們?cè)?994年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

為什么要用中子散射來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)呢？現(xiàn)在研究材料結(jié)構(gòu)的手段主要是同步輻射光源和散裂中子源。

同步輻射用于探測(cè)原子核外的電子分布，而中子散射可以測(cè)量中子與樣品的原子核散射后的方向和能量分布，它可以探測(cè)物質(zhì)的磁性、原子核的位置、工程大試樣，因?yàn)樗拇┩感院芎茫€能探測(cè)物質(zhì)里的動(dòng)態(tài)過程。

與同步輻射光源相比，散裂中子源造價(jià)高，技術(shù)復(fù)雜，而且探測(cè)困難，實(shí)驗(yàn)難度高，因此世界上只有4臺(tái)散裂中子源，同步輻射光源約60余臺(tái)。然而，許多前沿科學(xué)的關(guān)鍵問題和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展及國(guó)家安全的瓶頸問題，只有用散裂中子源才能解決！

中子從哪里來？一個(gè)方式就是反應(yīng)堆，四川綿陽(yáng)和北京的原子能研究院都有反應(yīng)堆，它是通過鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的，全世界大概有30座。

另一個(gè)方式是散裂中子源。用粒子去打重金屬的靶，它不使用核燃料，不是核裝置，所以它對(duì)安全性的要求很低?，F(xiàn)在世界上很難找到建反應(yīng)堆的地方，所以目前中子研究慢慢地都往散裂中子源發(fā)展，它的優(yōu)點(diǎn)很多。

散裂中子源是怎么工作的呢？我們用高能的質(zhì)子去打靶，產(chǎn)生的中子會(huì)打到樣品上，然后我們?cè)偃ヌ綔y(cè)。

中子的作用體現(xiàn)在哪些方面？第一是它有磁矩，所以它能夠研究磁性的結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)是磁性材料，超導(dǎo)也與磁性密切相關(guān)，所以它是研究磁性材料非常關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)。

第二是它能夠區(qū)分輕元素和同位素。大家可以看到，中子跟各種原子核的反應(yīng)截面變化非常大，不像同步輻射光是跟它的原子核的電荷平方成正比，所以它對(duì)輕的元素不敏感。

比如說溶解酵素蛋白分子，用同步輻射，你看不到是碳、氧、氮，但是用散裂中子源，氫的原子都看到了，所得到的東西要豐富得多。類似的高溫超導(dǎo)和其它的各種結(jié)構(gòu)都需要散裂中子源。

再比如，大家非常關(guān)心可燃冰，它是一種能夠?yàn)槲覀兲峁崈舫掷m(xù)發(fā)展的能源。但是我們需要了解可燃冰的性質(zhì)，如果不了解它的性質(zhì)就去開采它，可能會(huì)引起一些自然災(zāi)難。

所以我們必須模擬可燃冰所處的高壓環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行深度研究。模擬高壓環(huán)境需要非常厚的容器，必須要用中子才能夠穿透。此外，用中子散射研究碳、氫元素的效果也比較好，這使得散裂中子源成為可燃冰內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)研究的必要且不可或缺的手段。

毛河光院士十多年前在美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做了可燃冰的研究，這對(duì)于我們的應(yīng)用非常重要。

第三個(gè)非常重要的是，它可以直接原位研究工程大試樣殘余應(yīng)力。什么叫原位？一般的實(shí)驗(yàn)裝置都是研究很小的樣品，但是這并不能解決所有的問題，很多問題需要對(duì)工程的大試樣進(jìn)行研究。

舉個(gè)例子，20年前，德國(guó)的高鐵發(fā)生了嚴(yán)重事故，死了100多人，最后發(fā)現(xiàn)事故的原因是它的輪子金屬疲勞。怎么才能找到金屬疲勞的規(guī)律？解決的辦法就是，在不同運(yùn)行情況下測(cè)量輪子的性質(zhì)：剛剛造出來的時(shí)候、運(yùn)行了18400公里和運(yùn)行60000公里之后，研究清楚了它金屬疲勞的情況，由此得到了科學(xué)的運(yùn)行維護(hù)的規(guī)律。

▲ 英國(guó)散裂中子源：原位測(cè)量A380機(jī)翼焊接和鉚接時(shí)溫度和應(yīng)力分布，優(yōu)化工藝

還有一個(gè)很有趣的例子，是英國(guó)散裂中子源?？湛虯380機(jī)翼的焊接與鉚接。焊接與鉚接的工藝非常復(fù)雜。比如鉚接輕了沒有鉚上，鉚接重了，可能使鉚接的地方將來很容易破裂。焊接也是一樣。空客公司就把A380機(jī)翼的一段放到英國(guó)散裂中子源里頭，一邊鉚接，一邊焊接，同時(shí)測(cè)量它的溫度和應(yīng)力的變化，由此得出最佳的工藝。

還有日本的散裂中子源，它做了非常有趣的事。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵在于電池，怎么能夠使電池容量大、充電快，更安全？一方面要尋找更好的材料，更重要的是要研究怎樣造電池，要看電池宏觀性能變化和內(nèi)部微觀材料性能變化的關(guān)系。

可以把整個(gè)電池放到散裂中子源里，讓它充放電幾百次，看看性能的變化和里面粒子的輸運(yùn)、電極的性質(zhì)。日本已經(jīng)用這個(gè)方法做到了每公斤電池容量達(dá)到400千瓦/小時(shí)。

另外大家很擔(dān)心電池的安全性，比如在充放電的過程中出現(xiàn)可燃?xì)怏w，發(fā)生爆炸。這種氣體只有通過中子才能發(fā)現(xiàn)，我們可以通過散裂中子源研究什么情況下會(huì)出現(xiàn)氣體。

在克服挑戰(zhàn)中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新

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這是中國(guó)散裂中子源，由一個(gè)直線加速器80MeV（MeV，能量單位，兆電子伏特），快循環(huán)同步加速器1.6GeV，一個(gè)靶站，三臺(tái)中子散射譜儀組成。它是由中國(guó)科學(xué)院和廣東省政府共建，法人單位是中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，總共投資了18.6億，2018年3月完工。

▲ 散裂反應(yīng)及中子散射原理

產(chǎn)生的中子打到樣品上，然后射到元件上，我們進(jìn)行探測(cè)，這就是散裂與中子散射的原理。

大科學(xué)裝置從思想提出到建成，周期是非常長(zhǎng)的。在1990年代后期，我們就在醞釀散裂中子源的設(shè)想。2000年的時(shí)候，我們向國(guó)家科教領(lǐng)導(dǎo)小組提交的“中國(guó)高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展目標(biāo)”報(bào)告，提出建設(shè)散裂中子源，一直到去年，經(jīng)過了18年才建成。

為什么散裂中子源要落戶東莞？

2000年，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)路甬祥提出一個(gè)思想，他希望把中國(guó)科學(xué)院在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的雄厚實(shí)力和廣東省強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及對(duì)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)需求升級(jí)的迫切需求結(jié)合起來，在珠三角建設(shè)中國(guó)科學(xué)院的“第三高地”。

散裂中子源2000年有了這個(gè)設(shè)想，2004年得到了國(guó)家科教領(lǐng)導(dǎo)小組的批準(zhǔn)。但是，一直在北京找不到地方，2006年2月，我在廣州參加省發(fā)改委組織的會(huì)議，和發(fā)改委領(lǐng)導(dǎo)談到了散裂中子源在尋找建設(shè)地點(diǎn)。

張德江書記與路甬祥院長(zhǎng)做出了散裂中子源落戶廣東的決定。這是一個(gè)高瞻遠(yuǎn)矚的戰(zhàn)略部署，現(xiàn)在成為了支撐粵港澳大灣區(qū)科創(chuàng)中心的核心大科學(xué)裝置。

2006年5月，省發(fā)改委組織考察了珠海、蘿崗和松山湖。松山湖最合適，東莞支持的力度最大。13年前就能有這樣一種遠(yuǎn)見，應(yīng)該說是非常難得的。

美國(guó)散裂中子源用了14億美元，日本的散裂中子源用了18億美元，中國(guó)的散裂中子源用了18億人民幣。這個(gè)散裂中子源，有一系列創(chuàng)新的思想，它的主要性能超過了英國(guó)的散裂中子源，而且設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率超過90%。

建設(shè)的過程中，我們克服了很多困難。其中有個(gè)非常大的困難就是，我們修的直線加速器隧道位于地下19米，在建成后的第一個(gè)雨季它就滲水，不是建設(shè)單位偷工減料，而是他們錯(cuò)誤地參考了上海光源的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

上海光源的專家說：隧道的混凝土墻1米厚，水泥要少，上海光源每立方米混凝土用了150公斤水泥，我們用了180公斤，但是情況不同的是，我們?cè)?9米深的地下，南方的地下水非常豐富，所以第一個(gè)雨季就出現(xiàn)了嚴(yán)重的滲水問題。

最后，我們不得不在直線隧道外再加一層隧道來防水，這樣就耽誤了一年半時(shí)間。為了趕回一年半的時(shí)間，確保按時(shí)竣工，我們采取了并行工作的方式，先在地面安裝調(diào)試好需要安裝到地下的設(shè)備，等隧道修好了，再把它們拆了放下去，這樣的工作量非常大。

這是靶站譜儀大廳，直線加速器設(shè)備樓和快循環(huán)同步加速器。

這是200米長(zhǎng)的直線隧道和環(huán)形加速器240米長(zhǎng)的環(huán)隧道。

這是靶站的安裝核心裝置，大家可以看到，這是它一步步安裝的情況。

▲ 25Hz交流磁鐵

我們有非常多的創(chuàng)新，克服了很多挑戰(zhàn)。比如說磁鐵的電流達(dá)到千安培，25赫茲。年紀(jì)大一點(diǎn)的同志記得，我們過去用的日光燈的鎮(zhèn)流器會(huì)就一直響，為什么？是因?yàn)?0赫茲的交流電。同樣的，這里近千安培的電流就會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的震動(dòng)開裂和渦流發(fā)熱，我們做了很大的努力克服了這個(gè)問題。

▲ 漂移管直線加速器

還有漂移管直線加速器，有156個(gè)漂移管，每一個(gè)都不一樣，安裝的誤差要求不超過30微米，是非常精密的。

▲ 靶體制造公司“走出國(guó)門”

還有一個(gè)就是核心的靶，我們有創(chuàng)新的鎢鉭包復(fù)技術(shù)工藝，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。靶體插件的制造商是北京安泰公司。我們成功地研制出了非常關(guān)鍵的靶體。這也使他們成功中標(biāo)了歐洲散裂中子源的靶體。

▲ 譜儀建設(shè)

這是第一期擁有的三臺(tái)譜儀，包括多功能反射譜儀，小角譜儀，通用粉末衍射譜儀。

▲ 中國(guó)散裂中子源鳥瞰圖（2017年8月）

這是2017年8月份的航拍圖，無人機(jī)拍的，沒有做任何修飾。

當(dāng)我們給國(guó)外的雜志投稿，使用的就是這張照片。他們總覺得我們是合成的，實(shí)際上沒有任何修飾。它的建設(shè)就是這么完美。

中國(guó)散裂中子源在各個(gè)領(lǐng)域大放異彩

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▲ 首次打靶成功，提前獲得中子束流

我們?cè)?017年8月份，第一次打靶就順利成功，按下鍵就得到了漂亮的中子束流。我在那年7月份，訪問英國(guó)散裂中子源，在按鍵之前，英國(guó)所長(zhǎng)一再提醒我，你得有充分的思想準(zhǔn)備，第一次打靶，按下去了，可能什么也沒有。他說他們十多天也搞不清楚這個(gè)中子束流跑哪兒去了。但是我們?cè)O(shè)計(jì)合理，設(shè)備安裝，調(diào)試的質(zhì)量高，所以我們按下鍵就得到了束流。

上面是要求的驗(yàn)收指標(biāo)，下面是我們實(shí)際達(dá)到的指標(biāo)，大家看到達(dá)到的功率是驗(yàn)收指標(biāo)的2倍多，所有的驗(yàn)收指標(biāo)都達(dá)到了，我們圓滿通過了國(guó)家驗(yàn)收。

國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)報(bào)告認(rèn)為，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，設(shè)備質(zhì)量精良，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射方面取得一系列的重大技術(shù)成果，顯著提升了我國(guó)在這些領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)了重大的跨越。

現(xiàn)在，我們成為了世界上繼英國(guó)散裂中子源、美國(guó)散裂中子源、日本散裂中子源之后第四個(gè)具有散裂中子源的國(guó)家。

中國(guó)散裂中子源實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效運(yùn)行。我們的功率已經(jīng)達(dá)到了50千瓦，這是設(shè)計(jì)值的一半，提供束流的效率超過94%。

在通過驗(yàn)收以后，第二個(gè)月就有用戶的文章發(fā)表。美國(guó)散裂中子源前兩年什么文章都沒有發(fā)表，引起很多的批評(píng)。我們的成果出的非?？?。

現(xiàn)在我們?cè)诤芏囝I(lǐng)域都做了實(shí)驗(yàn)研究，有50多個(gè)單位，包括香港地區(qū)和英國(guó)各有3家機(jī)構(gòu)來做實(shí)驗(yàn)，已發(fā)表了8篇文章。

這是研究超導(dǎo)體的結(jié)果，超導(dǎo)體的應(yīng)用超級(jí)廣泛。

再一個(gè)是“超級(jí)鋼”研究。香港大學(xué)黃明欣團(tuán)隊(duì)研究出世界上強(qiáng)度最高的鋼，它通用粉末衍射儀分析鋼的性質(zhì)，為改進(jìn)這種鋼的斷裂、韌性和腐蝕性能提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。超級(jí)鋼應(yīng)用廣泛，例如汽車每減重10%，可節(jié)油6%—8%，所以說這是非常重要的領(lǐng)域。

另外就是北航和上海交通大學(xué)研究新型的合金，這種合金能用在F-22的起落架上，他們利用散裂中子源對(duì)此做了很多的研究。

香港城市大學(xué)利用這個(gè)做金屬玻璃的研究，這種材料兼有玻璃和金屬的優(yōu)點(diǎn)。

未來，僅僅用現(xiàn)有的三臺(tái)譜儀是不夠的。我們正在和珠三角地區(qū)的科研單位、大學(xué)共建用戶譜儀，廣東省科技廳也捐贈(zèng)了兩臺(tái)譜儀。因?yàn)楹芏嗖牧蠚堄鄳?yīng)力和金屬疲勞問題，唯一能解決問題的方案就是利用散裂中子源。

我們正在向國(guó)家發(fā)改委申請(qǐng)二期工程，建設(shè)更多的譜儀，同時(shí)要把它的功率升到500千瓦。它是目前科學(xué)院十四五規(guī)劃中排第一號(hào)的項(xiàng)目，甚至有可能在今年底就能啟動(dòng)。

還有一個(gè)是建設(shè)南方光源的計(jì)劃。因?yàn)榛浉郯拇鬄硡^(qū)的政府迫切希望建立同步輻射光源，散裂中子源和先進(jìn)的光源組合，是大科學(xué)平臺(tái)的最佳搭配。

▲ 建設(shè)南方光源的計(jì)劃

我們?cè)谏⒘阎凶釉次髅骖A(yù)留了600畝土地。這張圖是南方先進(jìn)光源的設(shè)想圖，它將會(huì)對(duì)粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)起到巨大的作用。

中國(guó)散裂中子源是國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展十二五規(guī)劃項(xiàng)目，是迄今為止我們國(guó)家建設(shè)的最大單項(xiàng)科研設(shè)施“國(guó)之重器”，為我國(guó)材料科學(xué)、基礎(chǔ)物理、化學(xué)化工、生命科學(xué)、資源環(huán)境等領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的研究手段，并為解決國(guó)家戰(zhàn)略需求的瓶頸問題提供先進(jìn)的平臺(tái)。

我們克服各種困難，按期完成了工程建設(shè)，中國(guó)散裂中子源CSNS已經(jīng)成為了粵港澳大灣區(qū)核心大科學(xué)裝置，歡迎大家到散裂中子源參觀！

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