松山湖畔，“源源”不断
政务
2024-11-03 09:31
广东
![]()
大湾区、大装置、大未来。10月26日，在香港举行的南方先进光源指导委员会第三次会议上，散裂中子源科学中心与港澳地区8所高校签订合作协议，推进合作建设粤港澳大湾区首台同步辐射光源——南方先进光源。而就在不久前，被称为人类最快“闪光灯”的先进阿秒激光设施获得国家发改委概算批复，即将在东莞松山湖科学城开工建设。![]()
巍峨山下，包括目前已进入二期项目建设阶段的中国散裂中子源在内，松山湖科学城世界级大科学装置集群正加速成型。散裂中子源、阿秒光源、南方先进光源......东莞松山湖畔，“源源”不断，为大湾区综合性国家科学中心和粤港澳大湾区国际科技创新中心建设提供着重要支撑。走进位于东莞松山湖科学城的中国散裂中子源靶站大厅，一处实验操作间内，一幕科技与传统交融的场景映入眼帘。科研人员正聚精会神地操作着电脑，细致分析着由能量分辨中子成像谱仪传输回来的数据和图像。屏幕上，一件考古文物以3D模型的形式缓缓旋转，内部结构在中子成像技术的审视下逐渐显露无遗。![]()
就在去年，中国散裂中子源的能量分辨中子成像谱仪成功出束，标志着我国拥有了首台集高分辨成像与衍射功能于一体的实验平台。“中子成像技术对于文化遗产的无损检测，堪称一项革命性的突破。”中国散裂中子源成像谱仪助理研究员杨陆峰介绍，该技术不仅能够深入洞察珍贵文物内部的复杂结构，还能揭示文物历经数百年乃至数千年岁月侵蚀后所形成的锈蚀与腐化机制，从而为文物研究与保护工作提供科学支撑。中国散裂中子源是首个落地粤港澳大湾区的国家重大科技基础设施，也是我国首台、世界第四台脉冲式散裂中子源。用中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生的话说，散裂中子源就像一种“超级显微镜”，通过高能粒子撞击重金属靶体，“散裂”出大量中子，再利用中子作为“探针”，研究物质材料的内部微观结构和运动。中国散裂中子源向全世界研究机构和科学家开放，自2018年投入运行以来，用户申请便迅速增加，机时供不应求。截至目前，中国散裂中子源的累计注册用户达7117人，其中1/3来自粤港澳大湾区，已完成1700多项用户实验课题，在航空航天、高铁船舶、新能源、磁性量子材料、高性能合金、高分子、信息材料等重点领域，取得了一批重要科学成果。![]()
面向前沿科技和高新产业，特别是国家重大战略需求，中国散裂中子源是先进且不可替代的研究平台。在航空航天领域，大气中子谱仪以10亿倍加速模拟中子辐照环境，为解决电子元器件在大气层内和地面的失效问题提供重要手段，为飞机适航论证和航空器安全提供研究平台；在交通领域，工程材料衍射谱仪对国产高铁车轮进行内部深层残余应力测量，给出了高铁车轮完整的应力数据，对高铁安全性和性能提速具有重要意义；在锂离子电池领域，科研人员利用通用粉末衍射和多物理谱仪进行实时原位测量，研究汽车锂电池的结构特征和锂离子在充放电循环过程中的输运行为，对锂电池性能提升和新型电池研发提供重要技术支撑。“来自高校、科研单位和产业界的用户，以及一些重大的国家重大项目，对散裂中子源都非常迫切的需求，很多关键问题只能在散裂中子源上进行研究。”中国科学院高能物理研究所研究员李晓表示，在中国散裂中子源二期项目启动之前，就已经开展了8台合作谱仪的建设，旨在满足用户的迫切需求。目前8台合作谱仪已全部完成建设，将于近期开放运行。“大科学装置建设经费高昂、规模庞大，且高度依赖专业人才，因此多以集群形式存在。”李晓表示，松山湖大科学装置也正朝此方向发展，力求在未来科研领域占有一席之地。今年1月，中国散裂中子源二期工程在东莞松山湖科学城启动建设。作为国家重大科技基础设施，项目主要建设11台中子谱仪和实验终端，建成后中子谱仪数量将增加到20台，并新增国内首台缪子实验终端和高能质子实验终端。据中国科学院高能物理研究所副所长、中国散裂中子源二期工程总指挥王生介绍，二期工程建设周期为5年9个月，预计将于2029年竣工。建成后，加速器打靶束流功率，从一期的100千瓦设计指标提高到500千瓦，意味着在同等时间内能产生更多中子，不仅能有效缩短实验时间，还能使实验分辨率更高，能够测量更小的样品、捕捉更快的动态过程。“届时，中国散裂中子源的研究能力将基本覆盖中子散射所有应用领域。”王生说。![]()
毗邻中国散裂中子源，刚刚获批建设的先进阿秒激光设施，将为松山湖科学城大科学装置集群建设重磅加码。“阿秒”是一个极为短暂的时间单位，是一秒钟的百亿亿分之一，可用于观测电子运动，是电子动力学研究的重要工具，为研究物理、化学、材料、信息、生物医学等学科中的重大基础科学问题提供了崭新的技术手段。2023年诺贝尔物理学奖，就颁发给了阿秒激光领域的科学家。中国科学院院士、松山湖材料实验室主任汪卫华透露，中国科学院物理研究所作为该装置建设法人单位，携松山湖材料实验室，在松山湖建设国内首个先进阿秒激光设施，其中6条束线及实验系统将落地东莞。该设施建成后，将成为亚洲首个、世界第二个阿秒激光大科学装置。![]()
松山湖材料实验室
为建设管理运行好先进阿秒激光设施，中国科学院物理研究所已联合松山湖材料实验室成立了阿秒科学中心，聚集了一大批国内外优秀的研究人员和工程技术人员，希望依托先进阿秒激光设施建成一个超快物质科学的国际化研究中心，协同中国散裂中子源等大科学装置，在能源材料、信息材料以及基础物理等领域做出国际一流的成绩。在北京怀柔，大科学装置——高能同步辐射光源（HEPS）正在紧锣密鼓地建设中，预计今年内将发射“第一束光”。而在松山湖科学城，南方先进光源也正积极筹划建设，未来将成为中国散裂中子源的“最佳拍档”。中国散裂中子源和南方先进光源分别以中子和X射线为探针，观察物质微观结构和运动。中子不带电，穿透性强，具有磁矩，与原子核发生相互作用，能分辨轻元素、同位素和近邻元素。X射线与原子核外电子发生相互作用，具有连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制的特点。从世界范围看，把散裂中子源和同步辐射光源放在一起是国际上已经被证实的最佳组合，不仅可以提供更为丰富和完备的研究手段，在支撑高新产业发展、吸引尖端人才、促进学术交流合作等方面能发挥巨大的综合效应。“大湾区有大量研究工作需要借助同步辐射光源，迫切需要建设一个同步辐射光源装置。”王生进一步介绍，目前，项目团队已完成技术指标国际领先的第四代衍射极限同步辐射光源的物理方案设计和优化，开展了一批关键技术预研工作，并取得了重要的阶段性成果。此外，通过前期广泛的用户调研，特别是考虑到粤港澳大湾区未来科技和产业发展的需求，首批规划建设10条光束线站，与中国散裂中子源联合，进一步提高实验支撑能力。![]( "南方先进光源指导委员会第三次会议现场。")
南方先进光源指导委员会第三次会议现场
为推动项目前期准备工作，由国内代表性用户及同步辐射研究领域的专家组成的南方先进光源指导委员会，已多次召开用户会议，持续加快推进该项目的建设进程。“与怀柔的高能同步辐射光源不同，南方先进光源定位于中能区，这类光源装置在国际上数量最多，支撑领域也更为广泛。”李晓介绍道，凭借一系列物理和技术上的创新，南方先进光源的设计指标在全球同类装置中已跻身前列，设计指标达到了国际领先水平。目前，南方先进光源项目已完成物理方案的设计和优化，关键技术预研进展顺利。“无论是物理方案、关键技术，还是人才队伍等各方面的保障，都已做好充分准备。”李晓表示。产业应用也已经在同步推进，“我们已与多家粤港澳大湾区头部企业达成合作协议，并期待能进一步深化合作。”李晓表示。“如果南方先进光源顺利获批立项，与中国散裂中子源、阿秒激光装置共同形成集群效应，这里无疑将成为全球顶尖的物质科学研究中心之一。”李晓指出，对于大科学装置的规划而言，采取“建设一代、规划一代”的策略是常态，松山湖科学城大装置集群具备显著的后发优势。从大科学装置的科学寿命来看，松山湖科学城有望在物质科学领域保持30年的领先地位。随着新能源车的普及，锂电池作为新能源产业的核心部件，其性能与安全性备受关注。然而，如何高效且无损地检测锂电池内部结构及其材料反应，成为行业共同面临的挑战。中子，这一微小而充满力量的粒子，以其独特的穿透能力，为解决这一难题提供了新的思路。依托中国散裂中子源，在新能源汽车领域，通过原位观察锂电池的充放电过程，人们首次发现了电池在充放电过程碳锂化合物的一种不均匀现象，颠覆了业内对此的认识，为锂电池的性能改进和提升开拓了新视野。![]()
中国散裂中子源科研人员演示用能量分辨中子成像谱仪进行电池检测。针对电动汽车电池体积庞大且内部反应不均匀的特点，中国散裂中子源的能量分辨中子成像谱仪（ERNI）发挥关键作用。它能够精确测量电池在不同循环寿命、反应阶段及服役周期下的不均匀性反应程度，为企业提供详尽的数据支持，助力电池性能优化。“在新能源产业快速发展的背景下，特别是粤港澳大湾区，中国散裂中子源凭借精确且高效的无损检测技术，在锂电池研究方面展现出极高的应用价值。”李晓表示。去年1月，位于东莞松山湖科学城的中国散裂中子源能量分辨中子成像谱仪成功出束，标志着我国拥有了首台集高分辨成像与衍射功能于一体的中子成像谱仪。ERNI不仅具有深穿透、轻元素灵敏等独特的优势，还能与X射线成像互补，共同为科研和工业生产提供更为全面、精准的检测手段。杨陆峰表示，目前，中国散裂中子源已经与全国多家电池类企业达成合作协议，在电动汽车锂电池等大型产品的研发与制造方面取得显著成果。未来，ERNI将服务于国家发展战略需求和粤港澳大湾区的科技发展与产业升级，在新能源、新材料、高端装备制造等领域的材料和机器/部件的研发与设计、加工制造、运行与服役性能评价等研究与应用中发挥重要作用，同时将应用于文化遗产和考古、植物生理学、地质、深海等特色研究领域。
![]()
