花十几年时间在东莞大修工程，我们为什么渴望获得这种自由的中子？ | 陈延伟
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2024-11-29 17:02
北京
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随着国家科技的发展，
越来越多的科学家
对中子的需求越发强烈。
格致论道 · 湾区第20期 | 2022年12月24日 广州
大家好，我是陈延伟，来自中国科学院高能物理研究所，今天给大家分享一下中国散裂中子源。
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我们能看到的最小的物体有多大？我们肉眼能看到100微米左右的物体，再小的单位就几乎看不到了。![]()
▲ 左：显微镜那么如果想要了解它们，该怎么办呢？几百年前科学家发明了显微镜，后来又发明了电子显微镜，让我们能够看到细胞以及更小的物质结构。▲ 左：散裂中子源
右：同步辐射光源
今天的大科学装置散裂中子源和同步辐射光源，使我们有可能看到物质更清晰的结构。中子有非常独到的特性，它不带电，可以直接与原子核相互作用，而且穿透性非常强。它就像一个探针，能分辨出轻元素和同位素。同时它有磁矩，是研究材料磁性非常好的一种手段。那散裂中子源这个名字是什么意思呢？什么是散裂，什么是中子散射呢？
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散裂的原理就是用质子去打靶，把重金属的质子和中子打出来，再把中子收集起来。这些中子像一堆弹珠，打向我们观察的物质结构。而物质结构像一张网，这些弹珠有的穿过去了，有的顺着网壁弹回来了。我们捕捉到这些中子的信息，就了解了这些物质的结构。![]()
物质结构决定了物质的性质。比如金刚石和石墨都是碳原子组成，却有完全不同的特征。金刚石其硬无比，石墨比较软，就是因为内部的结构不一样。金刚石的结构是支撑状的，石墨的结构是层状的。那应该怎么获得中子呢？自由中子寿命很短，在空气中大概只能存活15分钟左右，也不容易收集。
而实验用的中子，以前通常是由反应堆中子源产生，用铀235的裂变反应产生了中子，但是反应堆的建设条件跟地点受到很大的限制。而散裂中子源不用核燃料，它的热功率低，而且它的中子通量和时间结构都非常好。![]()
▲ 全世界中子散射文章中中国单位参与的统计（Web of Science）为什么我们需要中子来研究呢？随着国家的发展、科技的发展，越来越多从事中子散射研究的科学家和科研工作者对中子的需求非常强烈。近些年来，中国中子散射的文章贡献在世界的比例逐年在升高。
在中国散裂中子源建成之前，世界上脉冲型的散裂中子源只有三台：英国散裂中子源、美国散裂中子源、日本散裂中子源。我们国家的科学家想要从事这方面的实验，必须到国外去申请，受到旅途、时间窗口以及所要的机时能否满足等限制。更重要的是，我们的关键核心工作是不能够到国外去做的。所以我们国家的科学家在20多年前就提出，要建设中国自己的散裂中子源来满足自己的需求。很多年前，全国大科学装置大部分布局于北京、上海，在粤港澳大湾区这个科技经济高速发展的区域里还没有大科学装置。2006年，陈和生院士到广东来开会，提到散裂中子源正在全国选址，当时国家也提出要在大湾区布局更多的大科学装置。在这个时机下，经过综合比选，最终选择了现在散裂中子源所在的区域——广东东莞大朗镇以及松山湖片区这一片区域。地方政府对这个项目非常支持，因为选址区域有良好的地质条件，交通环境也非常好。2007年的2月份，中国科学院和广东省人民政府签署协议，散裂中子源正式落户广东。我们刚来的时候，所处的园区是一片茂密的荔枝林，漫山遍野都是荔枝树。经过十多年建设以后，我们可以看到，现在展现在面前的是一个非常漂亮的科技园区，散裂中子源深埋在地下17米。
这是整个装置的外形图，由强流负氢离子直线加速器、快循环同步加速器以及靶站组成。▲ 上：直线加速器
中：快循环同步加速器
下：谱仪
它的工作原理是先由直线加速器发出负氢离子，然后在环形加速器里剥离出质子并一直加速，加速到接近0.9倍光速、能量达到16亿电子伏的强流质子。强流质子接着撞击靶站中重金属靶的原子核，就产生了中子。谱仪就相当于我们用来看物质的“眼睛”，这些中子用来去探索物质的微观结构。这个是散裂中子源的运行图，它把负氢离子源产生的负氢离子，加速到8000万电子伏，剥离电子变成质子之后，再加速到16亿电子伏去打靶。中国散裂中子源的设备有成百上千台，通过团队若干年的设计、研究，其中关键的核心高精尖设备的国产化率超过了90%。
在工程建设中间和设计初期，我们都碰到了许许多多的困难，比如我们看到图中红色的二极磁铁。它非常大，而且要求非常高。因为它的任务就是质子在环形加速器里转动时，去修正质子运动的方向。这里头有很多关键难题，比如说铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热以及电感电容器匹配等一系列的问题。经过大家的共同努力，在一次又一次的试验、失败、再试验之后，终于成功。最终这个25Hz大功率交流磁铁在国内首次研制，并投入工程运行中。靶是产生中子非常关键的设备。我们和合作团队一起研制出创新的钨钽包覆技术制作的靶，使得散裂中子源的中子效率非常高。现在在欧洲瑞典的隆德，正在建造世界上第五台散裂中子源，给我们制造靶的这个团队去投标，也中标了。我们自研的国产化设备不仅满足了我们的需求，而且还走出了国门。
在工程建设中间也有许许多多的困难，因为大科学工程是科学与工程相结合的。在工程施工期间，地质情况以及雨季给我们的工程施工带来了很大的困难，使得工程延期了。但是关键的核心设备又需要安装调试，而我们给国家承诺的打靶时间跟验收时间是不能动的，这叫做“后墙不倒”。经过大家的努力，我们把很多关键的研制设备拿到测试厅先调试，优化了安装调试的顺序和流程。那两年大家每天都在现场，没有什么节假日和星期天。经过努力，我们终于在2017年8月一次打靶获得成功，完成了国家给我们的任务。2018年的8月，我们圆满完成了国家建设任务，通过了国家组织的验收。验收委员会的评价是，装置的综合性能已经进入国际同类装置的先进行列。![]()
十多年前，我们几个先头部队先到了现场，而大部队在北京做设计、做预制研究。当时在现场，大家就说“我们照张相吧”。2018年打靶成功以后，这几个人又凑到一块，在原来位置上再照一张相。
弹指一挥间，十年过去了，我们整个团队现在已经有五六百人。这是老中青三代科学家多少年奋斗的结晶，团队现在非常有活力，平均年龄37岁左右，人才梯队的建设也令人欣慰。
自从2018年投入运行至今，这四年里，我们创造了很多的记录。特别是2022年，我们的供束效率达到97.2%，在国际同类装置里是最高的，而且前四年的科学产出也高出了同阶段美国、日本散裂中子源的产出。在“四个面向”里，我们产生了很多科研成果，已经完成了一千多项用户课题，在新型储氢材料、锂离子电池、自旋电子学、超级钢、非晶合金、纳米材料等方面都做了很好的工作。
高铁车轮是我们安全经济的一个保障。在散裂中子源上，我们首次获得了高铁车轮内部深层的应力数据，这为提升国产车轮的加工工艺和使用寿命提供了关键的技术依据。通过看到它的应力，我们既能让它安全地运行，又使它的经济效益发挥到最大。合金的焊接部分是深潜器的薄弱环节，在散裂中子源上，我们首次明确了具有更低残余应力的焊接工艺，为球壳的寿命预测、安全性服役提供了关键数据支撑。这还是国内唯一一台大气中子的线站。利用散裂中子源集中照射待测设备，比如芯片等，我们模拟不同量的中子来监测它的出错情况。香港大学的黄明欣团队研制出了世界上强度最高的钢，他也是散裂中子源通用粉末衍射仪的首位香港用户。还有很多的香港用户也在上面开展工作。结束实验以后，他对记者说：“太方便了，就像自己家门口。”因为香港到我们装置所在地只有一个多小时的车程，做完实验以后如果需要再补数据，也可以非常方便地往返。
超级钢的研究，是汽车最有效的减重措施，因为钢的强度提高了，不仅轻量化了，还能提高汽车的安全性。中子有很好的穿透性，可以研究钢内部的错位密度和相成分变化，揭示高强度钢的起源。▲ 我国首台自主研发加速器BNCT实验装置
散裂中子源很多设备是我们自己研制出来的。比如我们自主研制成功了我们国家首台加速器硼中子俘获治疗癌症的装置，简称“BNCT”。在2022年，日本已经将BNCT投入到商业医疗中。我们是在2020年8月首次研制成功的。
当时这台设备主要做的是细胞和动物实验，它的原理是将硼药注射到动物身体里。硼药吸附在癌细胞上，中子跟硼药发生反应，释放出来穿透能力约一个细胞长度的α粒子和锂离子去杀死癌细胞。这个方法以前有，但是只在反应堆上做过实验。将其进行小型化，这在我们国家还是第一次。我刚才提到的那一台是实验样机，而正式进入临床的这台机器在东莞人民医院，现在已经进入安装阶段，预计明年（2023年）5月份安装调试。BNCT治疗方法在国外也有很多的应用。不管是从投资还是每次治疗的费用上看，BNCT治疗方法都是非常有优势的。散裂中子源受到了各界的关注，每年都有很多参访者，一是进行科学研究，二是来了解这个大科学装置。![]()
2019年，香港立法会的众多议员到散裂中子源参观，他们看到了这台装置高效地运行和非常良好的产出，特别是看到了这台装置对香港科学家的支持。参观结束以后，他们主动提出来：“我们为他们点个赞！”第二天，香港的很多报刊媒体上都刊登了这张照片。▲ 攻克许多产业关键核心技术
脚步不止，未来可期
已完成：90% //////////
现在，散裂中子源的机时还是满足不了众多申请实验的需求，国家已经把我们二期的计划列入了十四五重大科技设施的规划中。
我们希望能够在不远的将来，能把束流功率提升上去，现在是100千瓦，我们计划提升到500千瓦，这样能够测量更小的样品，达到更高的实验精度，以及缩短取数时间。同时新建更多的谱仪。在未来，我们将在整个实验大厅里建设20台谱仪，能够广泛覆盖中子散射应用和研究的领域。目前，我们谱仪的规划有一些是建成了，有一些正在建设，有一些将来我们会建成。不管是从结构、还是从动力学以及其他方面都能够提供更大的支撑。![]()
散裂中子源是用中子去看物质微观结构，而同步辐射光源是用X光去看原子核外的电子云，它们对于科学研究能起到非常好的支撑和互补的作用。在国际上很多科学园区都有类似的组合，在英国卢瑟福实验室的哈威尔园区，就有散裂中子源跟同步辐射光源；在欧洲瑞典科学中心里，也有光源和散裂中子源的配合。所以现在我们也在积极申请，希望国家能支持在散裂中子源旁边再建一台南方先进光源。为此我们也做了大量的工作，目前南方先进光源的测试研究平台已经建成投入使用，我们也已经完成很多预制研究，初步验证了设计方案。等各方面条件具备，我们将会向国家正式提出申请建设南方光源。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。
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