打造探索物质结构的“超级显微镜”

罗旭

2021年05月30日来源：光明日报

中国散裂中子源是一个由成百上千台高精尖设备构成的复杂整体。资料图片

无人机航拍的中国散裂中子源装置。资料图片

　　“一花一世界、一树一菩提”，就算是不起眼的一粒沙子，内部也可能隐藏着一个完整的世界。

　　如何才能看到沙子里面的世界呢？从16世纪末光学显微镜诞生，到20世纪电子显微镜出现，人们能够清晰分辨出单个原子，也就是说真的可以看到沙子里面有个“小世界”了。

　　那么，有没有一个“超级显微镜”，可以看到比沙粒更微小的物质空间呢？

　　在位于粤港澳大湾区中部的广东东莞，就有一个这样的“超级显微镜”——中国散裂中子源。

　　投资23亿元、历时18年，由中国科学院院士陈和生率团队筹备、规划、建成的这个大科学装置，是科研领域的“国之重器”，对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术、解决“卡脖子”问题具有重要意义。

　　在“最小世界”做“最大科研”，是怎样一种浪漫与执着？

　　揭开微观物质世界的神秘面纱

　　“中国散裂中子源由中国科学院和广东省共同建设，它使我国成为世界上第四个拥有脉冲型散裂中子源的国家。”作为中国散裂中子源工程总指挥，陈和生这样说。

　　被称为“超级显微镜”的散裂中子源，是用中子散射的方式探索微观世界的顶尖工具。“其工作原理是把质子束当成‘子弹’，将质子加速到0.9倍光速，去轰击金属靶，将其原子核撞击出中子，再利用这些中子开展各种实验。”中科院高能物理研究所副所长、东莞研究部主任陈延伟介绍，当中子与研究对象的原子核发生相互作用，中子会向四周散射，从其散射轨迹及能量动量变化，可以反推出研究对象的物质微观结构和动力学。

　　中国散裂中子源是一个由数以千计的高精尖设备组成的复杂整体，其建造工程本身，就是一个从“0到1”的巨大挑战。“在建设中，除了解决基础科学原理外，我们还要研制大量非标设备，工程与研究的双重复杂性难以尽述。”中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部主任梁天骄介绍，团队成员通过自主创新和集成创新，显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业技术水平和自主创新能力，先后攻克了25赫兹交流磁铁、高功率靶、液氢慢化器、中子探测器等多项关键技术。

　　2017年8月，中国散裂中子源首次打靶成功，获得漂亮的中子束流。通过中子散射实验，科研人员可以开展新型锂离子电池、磁性材料、高强合金、太阳能电池、航空材料、可燃冰、页岩、催化剂等各个领域的研究。

　　“的确，从中子层面来看，一粒沙中就有一个广阔世界。”陈延伟说，“散裂中子源团队的使命，就是为人类揭开微观物质世界的神秘面纱。”

　　探索前沿科技的星辰大海

　　2018年8月23日，经过十余年的筹备和六年半的建设，中国散裂中子源工程圆满通过了国家验收，投入正式运行，填补了国内脉冲中子应用领域的空白，设备国产化率超过90%，性能全部达到或优于批复的验收指标。

　　也许人们会问，除规模大、投资巨、周期长之外，大科学装置与一般科学装备相比最大的不同在哪里？

　　“大科学装置是支撑基础科学前沿研究和多学科交叉前沿研究的公共平台，主要是为用户开展原始创新提供科学服务，其产出是科学知识和技术成果，而不是直接的经济效益。”中国科学院高能物理研究所东莞研究部加速器技术部主任王生强调。

　　“溯洄从之,道阻且长。”国家验收通过，只是这支梦幻科研团队的一个新起点。“正式通过国家验收时，装置的束流功率是20千瓦左右，而设计目标最终要提高到100千瓦。”王生说，“我们要做的工作还很多。”

　　此后，王生率领团队成员在开放运行的间隙，进行了大量的束流调试和研究工作。2020年2月，正是疫情暴发初期，团队成员在做好严格防疫前提下，开始了加速器束流提升攻坚战。这一个月里，调束人员共分为两班，24小时工作不停歇。

　　2月28日，团队十几年的付出，终于迎来回报。中国散裂中子源打靶束流功率达到100千瓦的设计指标，并开始100千瓦稳定供束运行。这一刻，比原计划整整提前一年半。这一刻，团队成员无不热泪盈眶。

　　十载耕耘，只为今朝亮剑出鞘。中国散裂中子源开放运行后，大科学装置的综合效应开始逐步显现。在已完成的五轮运行中，中国散裂中子源服务全球用户，完成超过400项原创性课题研究，成为重要的原始创新策源地。

　　中国散裂中子源团队经过漫长时间的努力，为科技界和产业界探索前沿科技的星辰大海打开了一扇大门。

　　星光浩瀚，前路可期。

　　为大湾区创新发展注入澎湃动力

　　2021年1月，中国散裂中子源多物理谱仪成功出束。这是中国散裂中子源科学中心、东莞理工学院和香港城市大学共同建设的国内首台中子全散射谱仪，也是中国散裂中子源第一台合作谱仪。

　　被誉为“众多高新技术源泉和高新技术产业摇篮”的中国散裂中子源，在材料科技、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景，正在为大湾区创新发展注入澎湃动力。

　　“中国散裂中子源为港澳科学家开展相关科研提供前了所未有的便利。”梁天骄介绍，大湾区是国内先进制造业基地，对材料科学研究有着迫切的需求，中国散裂中子源布局在此，为诸多产业发展提供重要支撑。

　　作为大湾区的重大科技基础设施，中国散裂中子源让大湾区建设“具有全球影响力的国际科技创新中心”有了坚实的基础与支撑，港澳地区的多家高校纷至沓来，在此开展科学实验。2020年1月，散裂中子源科学中心与香港城市大学、澳门大学、东莞理工学院共建的“粤港澳中子散射科学技术联合实验室”正式揭牌。

　　中国散裂中子源还带来人才的“磁吸效应”。近年来，很多相关的一流科研机构和高新科技人才，主动选择落户大湾区。“通过项目的建设，我们培养出一支优秀的青年科研队伍。”陈延伟指出，“中国散裂中子源团队的300多名科研工程人员平均年龄只有36岁，他们扎根东莞，成为粤港澳大湾区创新发展的宝贵财富。”

　　创新照亮未来，征程未有穷期。陈和生介绍，中国散裂中子源的总体目标是建设我国在相关基础科学和高技术领域的具备原始创新能力的团队，促进我国科技和工业等方面技术的加速发展，至2030年，带领我国中子散射技术研究和应用科学界，全面进入世界先进行列。

　　“虽然，我们研究的是微观物质结构，但我们服务的是民族复兴伟大事业。”陈和生说，“只要这万般努力能够服务当下、通往未来，那‘十年磨一剑’就不算太久。”