解决“卡脖子”问题，这台荔枝林里的大国重器派上了用场

科普中国-我是科学家 2019-06-13

　　广东东莞有一件“国之重器”——中国散裂中子源。这是我国第一台、世界第四台脉冲式散裂中子源。散裂中子源是什么？这么小的中子，是怎么和“国之重器”发生联系的？这个装置能为我们带来什么？中国科学院高能物理研究所副所长、正高级工程师，中国散裂中子源工程办主任陈延伟为大家介绍这个深藏在幽香荔枝园里的高能大科学装置。

　　以下为陈延伟演讲实录：

　　我叫陈延伟，来自中国科学院高能物理研究所。

　　这片荔枝林，坐落在中国广东东莞大朗镇水平村，本地人说它是中国最好荔枝的出产地。也是在这片土地上，中国科学家和科技工作者经过十多年的奋斗，在这里建成了我们国家重大科技基础设施——散裂中子源，上图就是建成以后的场址。

　　2009年，我们几个先期到散裂中子源的同事在那合了一张影（图左）；去年国家验收的时候，我们在同样的位置又合了一张影（图右）。两张合影的间隔接近十年，这两张合影，也是散裂中子源众多科学家和科研人员奋斗结晶的缩影。

　　散裂中子源是做什么的？

　　我们知道，物质的微观结构非常重要。金刚石和石墨都由碳元素构成，但它们是完全不同的两种物质。为什么？因为它们有不同的微观结构。

　　金刚石的结构是三维的，原子与链相互连接、相互支撑，所以非常韧、非常硬；而石墨虽然原子之间有支撑，但层次之间没有，所以非常软。我们认知到的物质特性，比如有没有磁性、能不能导电、是不是透明、能不能发热等等，实际上就是由物质相互作用的晶体分子结构来决定的。

　　科学家们不停探索物质微观结构，需要借助一系列的手段，显微镜就是其中一种。光学显微镜可以看到1μm以上尺度的物质结构，比如细胞、花粉；但要看到更小层次的内部结构，就要借助于加速器驱动产生的中子或者X射线。

　　中子“探针”有一系列特点，均助于观测——

　　那么，怎么获得中子呢？

　　正常情况下，中子被紧紧地束缚着，不能轻易离开原子核。自由空间中虽然也有自由中子，但是寿命很短，通常只有十几分钟，不太容易收集。实验室用中子可以利用中子反应堆产生，但是受到建设地点和建设条件非常大的限制。散裂中子源能够产生优质的中子，过程中不使用核材料，热功率低，环境友好，还有高脉冲中子通量和优越的脉冲时间结构。

　　什么是散裂反应和中子散射反应呢？

　　打个比方：我们前面有一个大筐，筐里头装满了很多小球，这些小球代表了中子和质子。如果把一个质子使劲砸到筐里，就会弹出来很多中子和质子，把其中的中子收集起来，就是“散裂反应”。之后，把中子打向要去探测的物质的微观结构——比如说一张网，有的穿过去，有的回弹过来。我们捕捉到这些信息，就可以推测出这张网的构造和形状，也即“中子散射”。

　　此类装置通常由三部分组成——

　　首先是加速器，它能以接近0.9倍的光速发出高能量的“子弹”（质子）。

　　还有靶站，让“子弹”去撞击金属靶的原子核，产生中子。

　　最后是谱仪，是看中子跟物质结构发生反应的“眼睛”。

　　中国散裂中子源的构成及原理是这样的：负氢离子经过直线加速器加速到8000万eV，然后剥离进入环形加速器，继续加速成为16亿eV的强流质子，打靶产生中子，然后中子逐渐慢化为实验用的中子。

　　这是中国散裂中子源的鸟瞰图，图中我们能看到强流质子直线加速器、快循环同步加速器和靶站。其实这些只是地面上的小部分，大部分设备在地下17米左右，整个地下的空间长度接近600米。

　　中国散裂中子源是各种高精尖设备组成的复杂整体。通过自主创新和集成创新，设备的国产化率已经超过了90%。

　　自主创新贯穿在中国散裂中子源工程的建设中，许多关键设备都是自行研制、自行攻关。

　　举例来说，快循环同步加速器的25Hz交流磁铁，在我国属首次研制，其间遇到了超乎想象的技术挑战，比如涡流的发热、铁芯跟线圈振动的开裂等等。科研人员和协作工厂的工程师联合攻关，花了五年时间，经历无数次失败，终于研制出来了合格的磁铁；同时针对磁铁磁场的饱和又提出了谐波补偿方式，解决了磁铁之间的匹配问题，使整体性能达到设计标准。

　　其中很多设备还走出了国门。比如质子打靶产生中子的靶体插件，其制造商就在欧洲散裂中子源项目（在瑞典的隆德，欧洲正在建世界第五台散裂中子源）上中标了。

　　散裂中子源的建设贯穿着严格的工程管理、时间管理、质量管理。

　　工程管理方面也有很多困难，比如，中国散裂中子源前期的地下隧道施工中，就碰到了一些困难，导致了延期，给后续的设备调试和安装带来了巨大的压力。工程领导提出来，一定要“后墙不倒”，一定要在给国家承诺的时间里完成工程的建设任务。于是我们采取了一系列的措施：把一些必须到隧道里调试和老练的设备先拿到地面实验室里进行，同时穿插进行一些设备跟基建的安装——这实际上给协调和安全带来非常大的困难，另外还压缩了调试跟安装的时间。经过建设人员几百个日夜的奋战，工程建设终于按期完成。

　　“严格的质量管理”也是散裂中子源工程建设者一直贯穿的理念。我们工程的建设人员常说，一定要努力去做到1，不能0.9——因为大家知道无数个0.9加在一起就会是0，工程就没有办法能够实施。

　　举个例子，我们直线漂移管加速器的真空腔体有156个加速部件，总长36米，设计、加工和安装的误差不超过30μm，这么严格的指标是建设者们反反复复精益求精实现的。

　　2018年8月，散裂中子源完成验收。从建设初期到现在，用了接近20年的时间。1999年，中国科学家首次提出在中国建设散裂中子源；2005年，国务院科教领导小组批准原则同意建设；2007年，中国科学院跟广东省签署共建协议；2018年，终于建成。

　　验收委员会对中国散裂中子源的评价是：“装置整体设计科学合理，研制设备质量精良。靶站最高中子效率和三台谱仪性能达到国际先进水平。通过自主创新和集成创新，承建单位在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大的技术成果。”

　　散裂中子源由于投资大、技术复杂、实验难度大，过去只掌握在少数几个国家手里头，而中国散裂中子源的建成使我国成为继英国、美国、日本后第四个拥有散裂中子源的国家。

　　散裂中子源自建成后，就对社会全面开放，设备运行稳定。截止目前，已经完成了国内外56个高等院校和科研院所共74项用户课题，包括新型储氢材料、能源电池、超级钢等等。

　　它具体能做什么呢？

　　锂电池的研究中，中子实验能看到锂离子电池的结构以及锂离子的分布，特别是充放电过程中间锂离子的运动方向，这样就能为锂离子电池的制造提供指导容量更大、充电更快、更安全的支撑条件。

　　此外，还可应用于手机芯片的研究。大气中子是造成手机基站以及很多芯片服务器损坏的原因，而散裂中子源的白光中子源能够给这些芯片以及服务器提供出错的条件（我们常说的“打死”就是看它在什么条件下出错），让科学家在此条件下找出原因。同时，对大气空间载荷的器件可靠性（就是我们常说的“单粒子效应”）也有非常大的帮助。

　　最近这几天，香港大学的黄明欣教授团队就在散裂中子源做实验（他是我们散裂中子源首批的香港用户）。他正在研制世界上最强的钢材，也就是“超级钢”。他对《科技日报》表示“太方便了，就像自己家门口”——因为他以前要做类似的实验都要到国外去，不仅很难申请到机时，条件也非常有限；而现在，他可以很频繁地进行实验。