松山湖水平散裂中子生

陳和生

散裂中子源，其作用和顯微鏡、X射線有異曲同工之妙，它們就像人類眼睛的延伸，能夠去探索我們用肉眼所難見到的奇妙復雜的物質(zhì)的微觀世界。X射線能“拍攝”人體的醫(yī)學影像，而在材料學、化學、生命科學、醫(yī)藥等領(lǐng)域，科學家更希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)。散裂中子源應(yīng)運而生。它就像一臺超級顯微鏡，研究諸如DNA、結(jié)晶材料、聚合物等的結(jié)構(gòu)，揭開這大千世界的神秘面紗。

此前，世界上只有英國、美國和日本3個國家擁有脈沖散裂中子源，中國散裂中子源（ChinaSpallationNeutronSource）成為發(fā)展中國家擁有的第一臺散裂中子源，這也是我國最大的科學裝置。

中國散裂中子源建在離深圳很近的地方——松山湖。這個地方本來盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)荔枝品種“糯米糍”，2006年被選中建造散裂中子源，是因為它也是一個最適合建設(shè)大科學裝置的地方。我們在2011年10月動工，經(jīng)過了6年半的建設(shè)，最終于2018年8月建成通過驗收。

中國散裂中子源的直線加速器，會產(chǎn)生8000萬電子伏特的質(zhì)子，然后把它們送到快循環(huán)加速器——所謂快循環(huán)，就是循環(huán)頻率能達到25赫茲，即每秒25個循環(huán)?？煅h(huán)加速器能把8000萬電子伏特的質(zhì)子加速到16億電子伏特，再讓這些質(zhì)子束去打中間的靶站，這樣就會產(chǎn)生散裂中子，然后我們用測量儀器來收集散裂中子的各項信息。2017年8月28日，我們成功實現(xiàn)了散裂中子源運行，正可謂——松山湖水平，散裂中子生。

散裂中子源的基本原理，是用高能強流質(zhì)子加速器產(chǎn)生能量1千兆電子伏特（即1GeV，1千兆電子伏特=1×109電子伏特）以上的質(zhì)子束，轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中發(fā)生散裂反應(yīng)，產(chǎn)生大量中子。當1個高能質(zhì)子，打到重元素的原子核上時，就會轟擊出一些中子，這個過程被稱為散裂反應(yīng)。被轟擊的原子核溫度升高，更多的中子就會“沸騰”起來并脫離原子核的束縛。類似將一個網(wǎng)球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會立刻蹦出來，而更多的球會彈跳并翻出筐外，散裂反應(yīng)與這個過程很相似。每個與原子核相作用的質(zhì)子能夠轟擊出20～30個中子。

探索微觀世界的利器：大型加速器

為什么要建設(shè)散裂中子源這樣的大科學裝置？

回顧物理學的進展，20世紀是名副其實的物理學的世紀，物理學在這個世紀里經(jīng)過了3次大跨越。100多年前，我們發(fā)現(xiàn)原子是由電子和原子核組成的，后來又發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子組成的。20世紀六七十年代，我們最后發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子不是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終單元，它們都是由更小的粒子——夸克構(gòu)成的，當時中國科學家給它起名叫“層子”。每個質(zhì)子和中子都包含3個夸克。

為了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的3次大跨越，就需要建設(shè)非常大的加速器。因為當被研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)越來越小時，就需要越來越高的能量去分解物質(zhì)。為了獲得能量大的粒子，就需要建造非常大的加速器。世界八大高能加速器中心之一、我國第一臺高能加速器——北京正負電子對撞機的周長有240米，位于日內(nèi)瓦的世界上最大型的粒子物理學實驗室——歐洲核子研究中心的加速器周長更是達到了27千米。因為，只有用這么大的科學裝置才能得到非常高能量的粒子，才能去研究微觀世界，找到構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，并研究它們相互作用的規(guī)律。

所有物質(zhì)都由分子和原子組成。其中，原子由原子核和繞核運動的電子組成，原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成。中子不帶電，穿透力強，如果將一束足夠多的中子射向一種材料，就能在不傷害其實體的前提下，“探測”到材料的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運動規(guī)律，可謂最強科研透視眼。想要得到和控制中子，就必須有一個適當?shù)闹凶釉矗簿褪悄茚尫懦鲋凶拥难b置。中子源有很多種，在物理、工程、醫(yī)藥、核武器、石油勘探、生物、化學、核動力和其他工業(yè)中有廣泛用途。

物理學在20世紀的3次大跨越，最終對人類產(chǎn)生了深遠影響。

一方面是它變成了生產(chǎn)力。如大亞灣核電站、江門核電站，我們還利用大亞灣、江門核電站中微子來做實驗;如今強調(diào)綠色能源，強調(diào)碳中和，而核電是非常重要的清潔能源;利用核醫(yī)學成像來診斷身體有無疾病，利用工業(yè)CT來檢查設(shè)備有無缺陷，利用放射性加速器療法去治療癌癥等，這些都是20世紀物理學研究的成果轉(zhuǎn)化。這種成果轉(zhuǎn)化，也包括大家現(xiàn)在用的計算機、手機、導航系統(tǒng)的開發(fā)。另一方面重要影響，就是它使社會發(fā)生了巨大變化。眾所周知的就是核武器，它的誕生就源于核物理研究。

此外，還有一個影響可能不被人所熟知。如今我們天天都在上網(wǎng)、看新聞、跟朋友聊天、網(wǎng)上購物，那么網(wǎng)頁是怎么產(chǎn)生的？它實際上也是粒子物理研究的副產(chǎn)品。1988年，為了大型科學實驗的合作，歐洲核子研究中心發(fā)明了網(wǎng)頁。這項大型科學項目包含4個實驗，每個實驗都由幾千個科學家合力完成，他們分布在全世界，東到日本、中國、印度、巴基斯坦，西到歐洲，到美國東海岸的紐約、中部的芝加哥、西海岸的舊金山，一直到夏威夷，跨越的時區(qū)時間相差20個小時。那時沒有現(xiàn)在這樣方便的跨國電話，更不會有免費的網(wǎng)絡(luò)電話，交流非常困難，通信要用電傳，類似于電報，表達字數(shù)很有限。當時，一位在日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的英國科學家提出，利用當時剛剛誕生的互聯(lián)網(wǎng)開辟一個空間，讓大家來發(fā)表意見。當日本、中國的科學家上班了，可以發(fā)表自己的意見，然后等歐洲科學家隔六七個小時后上班了，再發(fā)表自己的意見，這樣就形成了互相聯(lián)通的交流網(wǎng)絡(luò)。

當時人們就預計到了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景會非常好，當然絕沒想到會產(chǎn)生現(xiàn)在這么大的影響。歐洲核子研究中心和這位英國科學家表示：我們這些做粒子物理研究的，都是由納稅人的錢來支持的，因此不申請專利，把這個發(fā)明貢獻給全人類。所以現(xiàn)在，大家每天在用手機看網(wǎng)頁、購物、聊天，所有這些東西都是來自這樣一個發(fā)明?？梢钥吹?，大科學研究不僅是為了實現(xiàn)基礎(chǔ)研究理論的大跨越，同時會促進很多技術(shù)的誕生和發(fā)展。

回到我們的國之重器，為了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元，要造非常大的加速器，產(chǎn)生非常高的能量，從而去研究非常小的尺度，比如10-13厘米，甚至10-15厘米、10-16厘米。

這種設(shè)備可以分成兩類。一類是給某一個學科專門使用的，比如位于合肥的有人造太陽之稱的全超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST），或者位于貴州的500米口徑球面射電望遠鏡天眼（FAST），或是位于日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC），都屬于某一個領(lǐng)域的專門設(shè)備。另一類就是大型科研平臺。大型的加速器能夠產(chǎn)生同步輻射（同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運動時放出的電磁輻射，由于它最初是在同步加速器上觀察到的，因此稱“同步輻射”），也能夠產(chǎn)生中子。同步輻射產(chǎn)生的是一種非常強的X射線，比醫(yī)用X射線強幾十億乃至幾百億倍。它和中子都是非常好的研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的工具，所以生產(chǎn)這些工具的設(shè)備，就成了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常有利的平臺。

國之重器：散裂中子源

中國的大科學裝置起源于1984年，國家批準建設(shè)我國第一臺高能加速器——北京正負電子對撞機。應(yīng)該說這一決定非常富有遠見，北京正負電子對撞機開創(chuàng)了我國大科學裝置建設(shè)的新紀元，它不僅產(chǎn)生了豐富的科學成果，也促使我國像同步輻射光源、散裂中子源這樣的大科學裝置不斷發(fā)展。同時，通過這么多年來的人才培養(yǎng)和管理機制建設(shè)，我國的大科學裝置有了非常大的進步。

我有幸領(lǐng)導了兩個大科學裝置的建設(shè)。一個是北京正負電子對撞機重大改造工程。1984—1988年，我們建設(shè)了北京正負電子對撞機。10多年以后，為了能夠保持這一裝置的國際領(lǐng)先地位，我們在2004—2008年對它進行了重大改造。我們克服很多困難，不超預算，按期完成了改造，改造后的裝置性能比之前提高了100倍。還有正在建設(shè)的位于北京懷柔的高能同步輻射光源。像這些設(shè)備，都是探索微觀世界的超級顯微鏡。要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，需要先搞清楚物質(zhì)結(jié)構(gòu)，才能夠理解它的性質(zhì)。

這里要著重給大家介紹的，是另一個大科學裝置——建設(shè)在東莞的中國散裂中子源。散裂中子源有一些典型的應(yīng)用：

比如可燃冰（一種天然氣與水在高壓低溫條件下形成的結(jié)晶物質(zhì)，其外觀像冰，遇火即燃），南?？梢蚤_采可燃冰，為什么我們現(xiàn)在不繼續(xù)開采？因為需要理解可燃冰的性質(zhì)，這也需要先理解它的結(jié)構(gòu)，只有這樣，我們才能夠安全地將其開采、儲藏、運輸和利用?？扇急谀虾：５?，礦帶長度有幾十到幾百千米，厚度幾十米，如果我們突然去捅咕它，或者突然對它進行氣化，后果可能不堪設(shè)想。

再比如火箭發(fā)動機內(nèi)部的缺陷和損傷，也只有用中子才能夠探測。還有電池，電動汽車本質(zhì)上就是依靠電池，我們希望它充電快、容量大，并且性能安全，那么怎么做到？只有中子散射才能做到這一點。還有芯片的單粒子效應(yīng)，在國際前沿的研究里，比如在基礎(chǔ)科學和應(yīng)用基礎(chǔ)科學的研究中，中子也非常重要，因為中子有磁性，它不帶電卻有磁性，所以穿透能力很強，是研究磁性材料非常好的一種手段。

另外，中子的特點是對碳、氫、氧、氮這些生命科學和能源科學里最常見的元素非常敏感，這一點是同步輻射做不到的。所以我們可以用它來研究藥物的結(jié)構(gòu)，研究藥物在人體當中作用、輸運的過程。超導體，本質(zhì)上是一種非常復雜的、與磁性結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)的物質(zhì)，用中子來研究超導非常重要。自旋電子學，就是現(xiàn)在大家經(jīng)常聽到的量子材料，要研究自旋電子的性質(zhì)，也要用散裂中子源。催化劑，90%以上的化學化工反應(yīng)都要用到催化劑，但催化劑到底是怎么發(fā)生作用的，化學家一直沒有手段來系統(tǒng)研究。而中子散射能夠透過非常厚的高溫高壓的化工容器，原位研究催化劑是怎么發(fā)揮作用的，給化學家提供了非常重要的研究手段。

還有就是研究金屬疲勞。比如航空發(fā)動機，我國面臨的航空發(fā)動機的“心臟病”，也是制約我們航空發(fā)動機性能發(fā)展的最大的困難之一，就是葉片金屬疲勞——人會感到疲勞，金屬也會疲勞，它每分鐘幾萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的時間久了，也就受不了了，會裂會碎。航空發(fā)動機的各個部件都有類似問題。再比如高鐵，20多年前，德國高鐵ICE（即德國的城際特快列車，InterCityExpress，簡寫為ICE）發(fā)生了一起重大事故，造成上百人死亡，究其原因，就是金屬疲勞。為了應(yīng)對金屬疲勞，我們得弄明白到底運行多少千米就該換，10萬千米，15萬千米，還是20萬千米？不同工藝造出的車輪之間有什么差別？這些最后都靠散裂中子源做到了。用它測量剛造好的車輪，以及運行了幾萬千米、幾十萬千米的車輪，就可以觀察到金屬疲勞現(xiàn)象。通過測量的數(shù)據(jù)來規(guī)定車輪的使用期限，這樣就杜絕了此類事件的再次發(fā)生。中國高鐵的總里程數(shù)現(xiàn)在占世界高鐵總里程數(shù)的70%，但是我們的車輪一度都是進口的，國產(chǎn)的車輪要想通過鑒定開始使用，就需要測量它的殘余應(yīng)力（即物體由于受力、濕度、溫度場變化等外因而變形時，物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生的用以抵抗變形的作用力），這也是散裂中子源的重要任務(wù)之一。

由于上述這么多迫切需求，我們在世紀之交就提出來建設(shè)中國散裂中子源。當時世界上已經(jīng)有了英國散裂中子源——盧瑟福·阿普爾頓實驗室，美國散裂中子源——橡樹嶺國家實驗室，以及日本散裂中子源——日本原子能研究所。當時我們就認識到，要優(yōu)化中國散裂中子源，要優(yōu)化中國的大科學裝置布局，不能都只建在北京、上海。當時中國科學院的院長路甬祥就提出，要把中國科學院在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的雄厚實力、珠三角地區(qū)強勁的經(jīng)濟實力，以及國家對科技升級、科技發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級的需求密切地結(jié)合起來。

2006年2月，我到廣州參加會議，介紹散裂中子源在尋找建設(shè)地點。廣東省的領(lǐng)導表示非常支持，當時推薦了3個地點——珠海、廣州的蘿崗和東莞的松山湖。我們最后選擇了松山湖。

迎難而上，玉汝于成

工程建設(shè)期間，我們遇到了很多困難。

比如，隧道混凝土的施工配比錯誤——工人錯誤地吸取建造上海光源（即上海同步輻射光源實驗平臺）的經(jīng)驗，認為混凝土1米多厚，里面的水泥不能多了，多了以后水泥的凝固熱會造成裂縫導致滲水。然而，上海是在地面施工，我們是在南方19米深的地下，地下水非常豐富，所以施工后第一個雨季就滲水了，幾乎是“水漫金山”。為此，我們重新在外面包繞建設(shè)了一條隧道，最終解決了這一問題，但是耽誤了一年多的進度。我們覺得向國家承諾的時間不能變，所以采取了一切方法，包括把本來該直接安裝進隧道的設(shè)備，先在地面安裝調(diào)試成熟，等到隧道建好后再安裝下去，同時采取并行施工。這些都需要加倍努力，但我覺得那么多國家的戰(zhàn)略需求等著我們，我們不能懈怠，最終如期完成了裝置建設(shè)。

還有其他困難。比如，大功率的磁鐵單個有20多噸重，要通幾千安培的電流，就有一個國際性問題：產(chǎn)生的振動會損壞磁鐵。就像老的日光燈有鎮(zhèn)流器，它會嘩啦嘩啦響，但20多噸重的東西嘩啦嘩啦響后果就非常嚴重。我們付出非常大的努力解決了這一問題，首次打靶就成功，而且是按下鍵去，就得到了完全符合預期的中子束流。

2017年7月，我率領(lǐng)中國物理學會代表團到英國散裂中子源訪問，他們所長就說，你們下個月打靶可要小心，我們之前打靶按下后一兩個禮拜過去，都不知道束流跑哪兒去了。各種各樣的設(shè)備或軟件故障把這個束流弄丟了，所以你們得做好準備去“debark”。但是我們設(shè)計好，設(shè)備制造好，安裝經(jīng)驗好，盡管我們的隊伍非常年輕，但我們一按下去就實現(xiàn)了這個目標，成果非常豐碩。

散裂中子源現(xiàn)在有2000多用戶，其中1/4都來自粵港澳大灣區(qū)，60多篇和設(shè)備相關(guān)的文章已經(jīng)發(fā)表。香港大學黃明欣教授團隊發(fā)現(xiàn)了世界上強度最高又韌性很好的超級鋼——鋼如果強度高往往就很脆，如何實現(xiàn)強度高又韌性好，通過怎樣的辦法證明團隊發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，這就需要通過中國散裂中子源來解釋。通過中子散射研究鋼的結(jié)構(gòu)，揭示了其背后的性質(zhì)原理，最終結(jié)果發(fā)表在了《科學》雜志上。

中國散裂中子源的用戶遍布全國，很多省市都有，而且增長非常快，2021年春天用戶申請增加了1倍，原因是我國的中子散射發(fā)展非?？?，現(xiàn)在全世界15%的有關(guān)中子散射的文章都有中國單位署名。

2020年8月，我們做了硼中子俘獲治療（BoronNeutronCaptureTherapy，簡寫為BNCT，目前國際最先進的癌癥治療手段之一，可選擇性地破壞癌細胞而避免對正常細胞造成嚴重損害）的實驗。它是利用散裂中子源的技術(shù)，采用一種二元化的精準治療手段，將硼中子的靶向藥物注射進人體。這種靶向作用能夠凝集在腫瘤上，然后拿中子去照射治癌，而照射是不需要精確瞄準的。重離子或質(zhì)子加速器治療癌癥非常復雜，它要準確控制能量，達到指定的深度，還要規(guī)定嚴格的形狀，所以它的造價都在10億甚至20億元以上。而我們這種技術(shù)不需要瞄準，是二元的療法，現(xiàn)在已經(jīng)在做動物實驗，爭取2022年這個時候能夠開始臨床試驗。我想這是治癌方面一個重大的革新。

撞擊出科技創(chuàng)新的未來

大科學裝置的建設(shè)是一個很長的過程。

我們在1999年提出來這個想法，2000年得到中央的原則同意，等到通過國家驗收已經(jīng)是2018年。這需要對國家的需求、規(guī)劃有高瞻遠矚的考慮，同時需要非常好的團隊去努力實現(xiàn)這個規(guī)劃。我想，散裂中子源會成為真正的國之重器，而且能夠為國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全提供一個最先進的研究平臺，同時也會為前沿科學研究提供最強有力的工具。

我們通過國家發(fā)改委的評審，在2021年啟動散裂中子源的二期工程，要把它的功率提高5倍——中子流強增加5倍后，在同樣的實驗精度下，獲取數(shù)據(jù)的時間減少到原來的1/5。流強提高了，就可以研究更小的樣品，觀察更快的過程。同時，我們也就能夠達到美國、日本的散裂中子源的單個脈沖的中子流強了。

另外，根據(jù)廣東省和中國科學院的規(guī)劃，我們還將在散裂中子源的西面建設(shè)南方光源。我想這是一個最佳的組合，它會對粵港澳大灣區(qū)的科技創(chuàng)新、綜合性國家科學中心的建設(shè)起非常大的作用。

建設(shè)創(chuàng)新型國家是我們這一代人的責任，科技創(chuàng)新是實現(xiàn)中華民族偉大復興非常關(guān)鍵的一步。希望我們的故事和努力能鼓勵更多的年輕人來獻身科學。只有更多的優(yōu)秀年輕人為國家的科學技術(shù)獻身，我們的科技創(chuàng)新才能夠?qū)崿F(xiàn)，因為科技創(chuàng)新歸根結(jié)底還是要人來做的。