“散裂中子源等一批具有國際一流水平的重大科技基礎設施通過驗收。”5月28日，在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會和中國科協(xié)第十次全國代表大會上，習近平總書記的重要講話，讓中國散裂中子源團隊感到無比的振奮。
從20世紀90年代末期的謀劃，到2011年10月在廣東東莞奠基;到2018年8月23日，通過國家驗收，正式投入運行;再到如今用戶課題申請非常踴躍，實驗機時供不應求……中國散裂中子源“橫空出世”，填補了國內(nèi)脈沖中子應用領域的空白，使得我國成為全世界第4個擁有脈沖式散裂中子源的國家。
中國散裂中子源就像“超級顯微鏡”，是研究物質材料微觀結構的理想探針，已成為我國材料科學技術、物理、化學化工、生命科學、資源環(huán)境和新能源等學科的先進、功能強大的科研平臺。
“超級顯微鏡”散裂中子源應運而生
在現(xiàn)代科學產(chǎn)生之前，人類是用肉眼觀察世界。后來，科學家發(fā)明了光學顯微鏡，第一次看到了肉眼無法直接觀察到的細胞和細菌等微觀世界。而電子顯微鏡比光學顯微鏡的分辨率更高，可以看到更小的病毒。
人類對微觀世界的探索隨著技術手段的提高，越來越走向深入，“超級顯微鏡”散裂中子源應運而生。
中子散射就像“探針”，是探索物質微觀結構的有力手段之一。
既然中子散射的用處如此之大，科學家們?nèi)绾潍@得實驗用的中子?中子在正常狀態(tài)下，被原子核緊緊束縛著，并不能輕易地離開原子核;盡管自然界中存在自由中子，但這些中子的壽命很短，最多只能存在15分鐘，且不易收集。于是科學家們要建設一個類似于“中子工廠”的大科學裝置，源源不斷地產(chǎn)生中子。
之前，世界上正在運行的脈沖式散裂中子源只有英國的ISIS、美國的SNS和日本的J-PARC。中國科學家意識到，只有建設自己的散裂中子源，才能擁有自己的“火眼金睛”，不需要依賴別人的“眼睛”去探索微觀世界。
建設中國散裂中子源的建議，起源于20世紀90年代末期關于中國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略的研究。中國科學院高能物理研究所和中國原子能科學研究院的老科學家們指出了建設散裂中子源對國家科技發(fā)展的必要性。1999年9月份，中國科學院高能物理研究所與中國原子能科學研究院向科技部提交了建設散裂中子源的建議。2000年8月份，兩家單位正式提出國家重大科學工程——“多用途中子科學裝置脈沖強中子源”項目建議。
經(jīng)過相關領域科學家的深入討論和研究，散裂中子源被列入了國家“十一五”大科學裝置建設計劃。中國科學院高能物理研究所和物理研究所的科學家們開始著手設計和預制研究。
2006年5月，中國散裂中子源最后選擇了東莞市大朗鎮(zhèn)。2011年10月，總投資23億元的中國散裂中子源裝置終于在東莞奠基，工期6年半。2012年5月，中國散裂中子源工程土建動工。
工程建設過程中的“攔路虎”被一一干掉
中國散裂中子源建在13米到18米深的地下，其中直線加速器隧道長240米，環(huán)形加速器周長228米，相當于半個足球場大小。其建設內(nèi)容包括一臺8千萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特的快循環(huán)同步加速器、一個靶站以及一期三臺供科學實驗用的中子散射譜儀。
中國散裂中子源裝置不僅極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復雜，制造和安裝過程面對許多困難。
中國科學院高能物理研究所東莞研究部副主任金大鵬介紹，快循環(huán)同步加速器的25赫茲(Hz)交流磁鐵在我國屬首次研制，其間遇到了超乎想象的技術挑戰(zhàn)，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發(fā)熱等都是以前經(jīng)驗之外的新問題。
“關鍵技術掌握在國外大公司手中，要不來，買不來。我們的科研人員與工廠技師聯(lián)合攻關，經(jīng)過6年時間，改方案、換廠家，逐一攻破技術難關，終于靠自己的力量研制出合格的磁鐵。”金大鵬說。
另外，針對磁鐵磁場飽和，科研人員還創(chuàng)新性地提出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場同步問題，其效果優(yōu)于國外散裂中子源。
除了設備，工程建設也是一個“攔路虎”。
由于地質原因，加速器隧道等土建工程延誤了1年多，大大壓縮了設備安裝和調試的時間。整個工程能否按原定工期竣工驗收成為一個嚴峻的挑戰(zhàn)。
關鍵時刻，團隊決心“后墻不倒”，對國家承諾的竣工時間不能推遲，必須千方百計搶時間。
于是將原定在隧道里測試好的設備先在地面大廳安裝調試，建設人員經(jīng)過幾百個日日夜夜的奮斗，終于趕回了工期。
在散裂中子源國際顧問委員會年度會議上，外國專家感嘆中國散裂中子源工程建設的“中國速度”：“難以想象你們在短短的1年完成了如此大量的工作”。
從工程動工起，中國科學院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生就把東莞當成自己的第二個家。對于自己的付出，他渾然不覺，反而很心疼團隊里的年輕人。
“過年的時候堅持調試運行，年輕人沒有任何怨言、積極參加，我感到很高興。”陳和生說，這些年的努力，不僅把工程完成了，把年輕的隊伍也培養(yǎng)起來了。
記者了解到，中國科學院高能物理研究所東莞研究部已培養(yǎng)出了一支年輕隊伍，近400名科研工程人員，平均年齡36歲。
3臺譜儀綜合性能達到國際先進水平
對中國散裂中子源來說，2018年8月23日是個難忘的日子。經(jīng)過十余年的籌備和6年半的建設，當天中國散裂中子源項目順利通過國家驗收，正式投入運行。
驗收委員會專家認為，中國散裂中子源的各項指標均達到或優(yōu)于批復的驗收指標。裝置整體設計先進，研制設備質量精良，靶站最高中子效率和3臺譜儀綜合性能達到國際先進水平。
驗收委員會專家還認為，中國散裂中子源通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術成果，顯著提升了我國在高功率散裂靶、磁鐵、電源、探測器及電子學等領域相關產(chǎn)業(yè)的技術水平和自主創(chuàng)新能力，使我國在強流質子加速器和中子散射領域實現(xiàn)了重大跨越。例如，國內(nèi)首次研制成功25Hz交流諧振勵磁的大型磁鐵、中子靶站等。
諾貝爾獎獲得者、著名物理學家李政道先生獲悉后，給陳和生院士發(fā)來祝賀，并衷心希望祖國科學家利用中國散裂中子源做出世界一流實驗成果，為發(fā)展先進科技立功。
2019年2月19日，諾貝爾獎獲得者、著名物理學家楊振寧先生到東莞訪問中國散裂中子源。他對項目的成功建設表示贊賞，對項目滿足國家前沿科學研究和國家戰(zhàn)略需求發(fā)揮的積極作用表示肯定。
驗收通過后，中國散裂中子源的科研人員并沒有停下奮斗的腳步，而是朝著更高的目標前進。
根據(jù)國際同類裝置的調試運行經(jīng)驗，中國散裂中子源最初考慮在項目驗收之后3年內(nèi)，即至2021年8月束流功率達到100千瓦設計指標。
鉚足勁的科研人員一心想著通過努力，把時間往前趕。2020年2月28日，打靶束流功率達到100千瓦的設計指標，并開始100千瓦穩(wěn)定供束運行，達到設計指標時間比原計劃提前一年半。
“我們國家想要做國際最先進的科學研究，需要做出最好的研究平臺。所以散裂中子源第一次打靶成功時，就是我們最高興的時候。”5月22日，在“科普中國—我是科學家”第34期專題活動上，陳和生院士說。
中國散裂中子源自2018年9月開放運行至今，共完成五輪用戶實驗，正在進行第六輪，用戶課題申請非常踴躍，實驗機時供不應求，五輪共完成國內(nèi)外科研與工業(yè)界的課題500余項(含國外和港澳課題30余項)，圍繞國際科技前沿和國家重大需求，取得了多項成果。
金大鵬介紹，目前中國散裂中子源正在建設合作譜儀，并申請二期建設，以更好地滿足國家發(fā)展戰(zhàn)略和國際前沿研究對中子散射研究和應用的迫切需求。
中國散裂中子源的總體目標是建設我國在相關基礎科學和高技術領域的具備原始創(chuàng)新能力的團隊，促進我國科技和工業(yè)等方面技術的發(fā)展，至2030年，帶領我國中子散射技術和應用科學全面進入世界先進行列。
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