“贯彻落实新发展理念 向上突围•来自实验室的一线报告”系列④

从百米高空向下俯瞰，坐落于东莞大朗镇的“国之重器”—中国散裂中子源，犹如一条银白色的“巨龙”盘踞于绿意盎然的山林之间。

8月23日，这条“巨龙”迎来破壳而出的关键时刻。历经6年半建设工期，中国散裂中子源（CSNS）顺利通过国家验收，投入正式运行，对国内外各领域用户开放。中国成为继英、美、日之后，第四个拥有散裂中子源的国家。

“该装置的建成，填补了国内脉冲中子应用领域的空白，将为物质科学、生命科学、新能源等诸多领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究平台，对探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术、解决‘卡脖子’问题具有重要意义。”中国散裂中子源工程总指挥、工程经理陈和生表示。

作为国内首台散裂中子源、粤港澳大湾区首个国家重大科技基础设施，这台探测物质微观结构的“超级显微镜”也将为湾区打造国际科创中心注入强劲动能，推动湾区产业升级、实现经济高质量发展、擦亮令全球创新力量瞩目的最强“科技名片”。

“看见”物质微观结构的理想探针

走进CSNS科技园的大门，眼前的白色建筑在绿植的环抱中呈U字形分布，办公楼位于左手边，右上方是由国家出资18.6亿建设的主装置区。

整个装置的“内核”藏在地下13至18米左右的地方，由1台8千万电子伏特的负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、1个靶站及首批建设的3台谱仪组成，通过600多米长的隧道进行连接。

在物质结构的微观世界里，散裂中子源生动诠释了“看见”的力量。正如X射线可以透视人体的医学影像，光学显微镜可以观察到人眼难以分辨的细胞、细菌，散裂中子源就像一台PLUS版的“超级显微镜”，是材料科学技术、资源环境，生命科学、物理、化学化工、新能源等领域研究微观结构的理想探针。

世界上的物质由分子和原子构成，中子是组成原子核的粒子之一。当一束中子射向样品时会产生散射，通过测量散射的中子能量、动量的变化，可以研究各种物质的微观结构和运动规律，这种研究手段就叫中子散射技术，中国科学院高能物理研究所副所长陈延伟告诉记者。

装置的工作原理，正是通过高频电磁场将质子加速到16亿电子伏特，然后将质子束当成“子弹”，轰击重金属靶，金属靶的原子核被撞击出中子，通过谱仪探测与测量样品散射的中子，倒推样品的物质微观结构。

进入散裂中子源的内部，可以看到红、蓝、绿三色的大型磁铁环绕着分布于隧道中，共计300多台。当质子束从直线加速器进入环形加速器后，将以接近光速的速度飞快“跑动”，而这些磁铁的作用正是约束中子的运动轨道，使被加速的粒子可以充分完成能量积累。

这些庞大的设备容不得丝毫误差。陈和生仍记得，自主研发快循环同步加速器中25Hz交流磁铁时，遇到的技术难关。“铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热等都是前人经验之外的新问题，我们请美、日研究所的专家专访指点无起色，关键技术掌握在国外大公司手中，不可能告诉我们。”

换厂家、改方案，6年时间里，科研人员与高能所工厂联合攻关，终于靠自己的力量研制出合格的磁铁，并创新性地提出了谐振电源的谐波补偿方法，效果优于日本散裂中子源。通过自主创新和集成创新，中国散裂中子源设备国产化率超过90%，多项技术和综合性能进入国际同类装置先进行列。

加快二期谱仪建设，让“火车头”充分发挥运力

“装置建成之日，就是提高之时。”顺利完成验收后，散裂中子源科学家们明显感到，实验室的工作节奏更快了。

“从国内外大型科学装置的操作经验来看，从建成投入到稳定运行一般需要几年时间，在这个磨合期内，我们还有很大的提升空间。”据陈延伟介绍，下一步，团队的首要任务是将机器调试到最佳状态，进入稳定运行；同时，做好束流功率升级的准备工作；最为关键的一点，是加快二期谱仪建设。

目前，中国散裂中子源共有3条谱仪，分别为粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪，全部由国家出资建设。“实际上，以装置目前的能量和运力来看，相当于一个可以拉动20节车厢的火车头，只拉了三节车厢，效率偏低。”

陈延伟表示，为进一步拓展研究领域和研究课题，中国散裂中子源已与用户合作达成共建另外五台谱仪的合作意向，并积极申请启动二期谱仪建设，充分发挥装置的作用，满足用户科研需求。

被誉为“国之重器”的散裂中子源究竟有哪些用途？陈和生向记者介绍：“可以利用散裂中子源来研究大型金属部件的残余应力，这对于提高高铁关键部件和航空发动机部件的性能，以及核电站部件的服役性能十分重要。此外，可燃冰、磁性材料的研究，以及化学反应催化剂的原位研究等，都可以使用散裂中子源。”

以可燃冰研究为例，需要在很厚的容器壁中，模拟千米深水下的压力，只有散裂中子源的中子能够穿过。而且中子散射对碳、氢、氧、氮这些轻的元素很敏感，能够清楚地分析出可燃冰的结构，从而安全有效地使用可燃冰。

据介绍，自2018年3月试运行以来，中国散裂中子源的首期3台谱仪已完成10个用户单位16个研究组的21个样品实验，并取得首批重要科学成果，涵盖能源、物理、材料、工程等多个前沿交叉和高科技研发领域，如锂离子电池材料、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜等。

“超级显微镜”可供企业、高校免费申请使用

从昔日郁郁葱葱的荔枝林，到如今充满科技感和现代化气息的CSNS科技园，陈延伟和其他来自北京的中国科学院科学家一起，在东莞的大朗镇度过了难以忘怀的12年。

“印象中最长的一次，有2、3个月没回过家，每年待在东莞的时间超过300天，很难照顾家人。”陈延伟告诉记者，散裂中子源的初期建设团队基本全部从北京派来，但没有一个人为此犹豫。

而对于东莞所在粤港澳大湾区来说，中国散裂中子源的落地也将迸发出高科技原始创新和前沿技术人才储备的巨大潜力。

“近水楼台先得月。”据陈和生介绍，目前，港澳地区的许多大学已经开始吸引中子散射研究和应用的人才，建设相关的学科。香港城市大学与散裂中子源和东莞理工学院合作，正在建设多物理谱仪。中国科学院和香港裘槎基金从2015年开始支持散裂中子源和香港城市大学建立中子散射联合实验室，加速推动新增谱仪和其他中子散射交叉学科应用型装置的建设。

“珠三角经济发达，但科学研究相比京沪仍有差距，把CSNS放在广东可以优化我国大科学装置的布局。”陈和生表示，CSNS的建成恰逢“大科学装置的盛世”，装置将肩负发展中国中子散射研究和应用的重任，为粤港澳大湾区的科技创新和产业升级赋能，提升科技原生创新力，推动珠三角地区在高端前沿科技产业上的发展布局，为湾区打造国际科创中心和全球创新高地提供强有力的支撑。

“国家花大力气建设大型科学装置，是为了给大家用的。企业、高校如果有研究需求，可以向平台提出申请，免费使用，并将研究成果对外发布。”中国散裂中子源科研计划办公室副主任程贺告诉记者，目前，散裂中子源已经开通用户实验申请平台，每年可接受两轮申请，第一轮报名截止日期为9月20日。

“自报名通道开通以来，申请相当踊跃，还收到了不少海外用户的邮件。”据介绍，在用户资料审核评定方面，散裂中子源将根据不同领域送交小同行专家进行第一轮盲审，对研究可行性、研究价值等给出评审意见和分数，再交给国家组织的CSNS用户委员会进行筛选，根据装置每年能够提供的实验机时和用户评分统一安排。

| 实验室数据

1999年9月，高能物理所与原子能科学院向科技部提交建设散裂中子源的建议。2000年8月，两家单位正式提出国家重大科学工程项目建议书——“多用途中子科学装置脉冲强中子源”，装置经过6.5年建成。

中国散裂中子源共形成设备合计12681台/套。园区面积402亩，装置建在13-18米的地下，直线加速器隧道长240米，环形加速器周长228米。

自2018年3月试运行以来，装置运行可靠稳定，三台谱仪已完成10个单位的21个样品实验，并取得了首批重要科学成果。

在编人员312人，其中，正高级工程师、高级研究员33人，高级工程师、副研究员99人，博士学位70人，硕士184人。

【记者】王佳欣 陈启亮

【实习生】罗旭仪

【摄影】孙俊杰

【策划】谢思佳 卢轶

【统筹】袁佩如

【校对】冯志坚