中国散裂中子源：探秘微观世界的“超级显微镜”

2018 年 3 月 7 日 中科院高能所 陈和生

[导读]在距离香港一个多小时车程的广东东莞，坐落着我国迄今为止单项投资规模最大的大科学工程——中国散裂中子源。这项“国之重器”由中国科学院和广东省共同建设，它使得我国成为世界上第四个拥有散裂中子源的国家。

作者：中国散裂中子源工程总指挥、中国科学院院士陈和生

来源：《紫荆》杂志2018年2月号

在距离香港一个多小时车程的广东东莞，坐落着我国迄今为止单项投资规模最大的大科学工程——中国散裂中子源。这项“国之重器”由中国科学院和广东省共同建设，它使得我国成为世界上第四个拥有散裂中子源的国家。它在材料科学和技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景，将为我国产生高水平的科研成果提供有力支撑，并为解决国家发展战略需求的许多瓶颈问题提供最先进的平台。中国散裂中子源亦将成为广东省正在建设的国家科技产业创新中心的核心单元，为粤港澳大湾区科技发展和产业升级作出重大贡献。

中子散射“探针”

同样都是由“碳”元素构成的物质，金刚石和石墨的物理性质却有很大的差别，原因是什么？闪闪发亮的金刚石是世界上最硬的材料之一，其碳元素按正四面体结构排列，如果换一种排列方式，便组成了我们日常使用的铅笔芯的材料——石墨。由此看来，物质的结构决定了物质的性质。

如何观察物质的微观结构？在现代科学产生之前，人类用肉眼去观察和理解世界。后来，科学家发明了光学显微镜，我们第一次看到了肉眼无法直接观察到的细胞和细菌等微观世界。而电子显微镜比光学显微镜的分辨率要高1,000倍左右，可以看到更小的病毒。人类对微观世界的探索随着技术手段的提高，越来越走向深入，“超级显微镜”散裂中子源应运而生。

中国散裂中子源航拍图（图：中国科学院高能物理研究所）

中子散射就像“探针”，是探索物质微观结构的有力手段之一。中子和光一样，具有波粒二象性，既有波的性质，可以反射、折射、衍射、吸收。也具有粒子的性质，可以弹射、散射等。中子由于不带电，不易受到带电质子和电子的阻碍，能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上，大多数会不受任何阻碍穿过样品，但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用，其运动方向也会发生改变，向四周“散射”开来。我们测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化，就可以精确地反推出物质的结构。

中子散射和我们熟悉的X射线类似。X射线散射对含电子数目多的原子敏感，但欲探测如氢原子等轻元素就十分困难了。中子散射则对原子核敏感，特别是对碳、氢、氧等原子核敏感，还可以区分同位素。研究含有大量氢、氧、氮原子的生物大分子，中子散射具有更佳的优势。

中子散射在日常生活中的应用非常广泛，举几个例子：在能源材料领域，氢动力汽车无疑比以汽油为燃料的汽车更加节能环保。如何实现氢气的稳定储存？我们希望把氢气变成密度更高的固体。最简单的办法是给氢气加压，但有容易引发爆炸的危险。有其他办法吗？现代科学家用一种金属-有机框架（MOF）材料，可以把氢气吸进去，要用的时候再把氢气释放出来。中子散射可以帮助科学家研究，氢气在金属的什么位置、什么情况下可以更好地释放。

2017年8月28日，中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流。图为陈和生院士出束当天在靶站谱仪中控室指挥工作。（图：中国科学院高能物理研究所）

中子散射是研究锂电池的利器。大幅度地提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键，可以将汽车锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪，实时原位测量在几百次充放电的过程中，锂电池各个部分性能的变化，为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。国外的散裂中子源都建设了这样专门研究锂电池的谱仪，且严加保密。

中子散射可以对文物进行无损研究。例如想知道我国南北朝时期的佛像，其制造工艺是如何？显然无法把文物大卸八块进行分析。利用中子成像技术，可以看到佛像的中间有一根木制“主梁”。正是因为中子散射对轻的元素非常敏感，中间的棍子是木头做的，也就是碳氢化合物，中子可以轻易地“看到”它。科学家也终于明白，这尊佛像的制造工艺和盖房子很像，先在中间立一根木梁，在木梁周围缠上“支撑架”，最终用黏土制成了佛像。

投资23亿元建设“中子工厂”

既然中子散射的用处如此之大，科学家们如何获得实验用的中子？中子在正常状态下，被原子核紧紧束缚着，并不能轻易地离开原子核；尽管自然界中存在自由中子，但这些中子的寿命很短，最多只能存在15分钟，且不易收集。于是科学家们要建设一个类似于“中子工厂”的大科学装置，源源不断地产生中子。

产生中子有两种方式：一种是看起来威力很大的“核反应堆”，利用铀235的核裂变反应产生中子，但这种方式对于安全性是很大的威胁。科学家设计了第二种产生中子的装置——散裂中子源。散裂中子源不使用核燃料，热功率低，环境友好，成为了国际上先进中子散射源的发展趋势。目前全世界拥有散裂中子源装置的国家仅有英国、美国和日本。2000年，高能物理研究所和原子能研究院的几位科学家正式向科技部提交了“多用途中子科学装置——脉冲强中子源”建议书。

中国散裂中子源设备——靶站（图：中国科学院高能物理研究所）

中国科学院积极支持建设中国散裂中子源。经过相关领域科学家的深入讨论和研究，散裂中子源被列入了国家“十一五”的大科学装置建设计划。中科院物理研究所和高能物理研究所的科学家着手进行设计和预制研究，并开始寻找建设散裂中子源的地方。

2006年2月，我在广州参加广东省发改委举行的一场研讨会。我向省发改委的领导谈到散裂中子源正在寻找合适的建设地点。省发改委领导向广东省领导汇报，希望促进珠三角科学研究的发展，推动一些大型科研项目的实施。3月，广东省和中国科学院的领导认为，可以把散裂中子源在珠三角找个地方落户。5月，我们到广东省发改委推荐的三个地方：珠海、广州萝岗和东莞实地考察。综合各方面的条件，我们认为东莞最为合适。但东莞最初推荐的地点在松山湖，地基不合适（散裂中子源的靶站要求地基承重高达每平方米100吨），而且周围难有发展空间。我们在Google地图上看中了大朗镇水平村的一块地：背后靠山，前面是虎门到惠州的高速公路，交通方便，四周有发展空间。当我们向东莞市和松山湖的领导提出这块地时，他们不相信有这块地。我利用一个单位的前台的计算机网线，在Google地图演示了从松山湖到这块地的路线。他们立即确认了这个地点。我们随即去现场考察，发现它确实如Google地图上看到的那样位置合适，交通方便，而且当时是采石场，这表明这里基础好。于是我们很快就定下了这个选址，并开始勘探等前期研究工作。前期的工作条件非常艰辛，我们有几位老同志频繁上山考察，开始前期工作，因为经费限制，租了辆拉鱼车每天在工地上穿梭，那辆车晚上拉鱼，白天载着他们去工地，所以大家下班后身上都一股鱼腥味。

2011年10月，总投资23亿元人民币的中国散裂中子源装置终于在广东东莞奠基，工期6年半。2012年5月散裂中子源工程土建动工。散裂中子源装置不仅造价高，而且技术复杂，是各种高、精、尖设备组成的整体。项目从2006年起开展了一系列关键技术的预制研究工作，攻克了众多技术难题。各项设备的批量生产在全国近百家合作单位完成，许多设备的研制达到国内外先进水平，设备国产化率达到96%以上，有力地促进了我国相关领域高技术的发展。

散裂中子源装置的工作原理是将质子加速到16亿电子伏特，速度相当于0.9倍光速，把质子束当成“子弹”，去轰击原子系数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子，科学家便通过特殊的装置“收集”中子，开展各种实验。散裂中子源的好处在于，加速质子使用的是高频电磁场，只要切断电源，质子就会立即停止轰击金属靶，不会有任何放射性污染且可控，因此是最安全的产生中子的方式。

中国散裂中子源设备——负氢离子直线加速器（图：中国科学院高能物理研究所）

散裂中子源装置不仅极为庞大，而且部件繁多，工艺极其复杂，制造和安装过程克服了重重困难。例如漂移管直线加速器，安装的误差不能超过0.05毫米，比一根头髪丝还细；散裂中子源的“眼睛”——中子探测器，此前的核心技术掌握在国外，经过科研人员的攻关，目前已研发出拥有自主知识产权的探测器，各项性能达到国际一流水平。

快循环同步加速器的25Hz交流磁铁在我国属首次研制，其间遇到了超乎想象的技术挑战，铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热等都是以前经验之外的新问题。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，不可能对华交流。我们的科研人员与工厂技师联合攻关，经过6年时间，改方案、换厂家，逐一攻破技术难关，终于靠自己的力量研制出合格的磁铁。针对磁铁磁场饱和，我们还创新性地提出了谐振电源的谐波补偿方法，解决了多台磁铁之间的磁场同步问题，其效果优于日本散裂中子源。

工程建设遇到的最大挑战是加速器隧道等土建工程延误了1年多，大大压缩了设备安装和调试的时间。整个工程能否按原定工期竣工验收成为一个严峻的挑战。工程领导决心“后墙不倒”，对国家承诺的竣工时间不能推迟，必须千方百计抢时间。采取的主要措施包括：将原定在隧道里测试老练的设备先在地面大厅安装调试和老练，将通用设施的安装与隧道土建施工交叉并行，这样做大大增加工作量和工程调度的难度，并可能带来事故的风险。建设人员经过几百个日日夜夜的奋斗，终于赶回了工期。去年12月中旬举行散裂中子源国际顾问委员会年度会议时，外国专家感叹散裂中子源工程建设的“中国速度”：“难以想象你们在短短的一年完成了如此大量的工作。”

中国散裂中子源是三百多位建设人员经过十多年努力奋斗的成果，尤其是许多北京籍专家，他们舍小家为大家，克服了许多困难，每年超过三百天扎根在东莞。2017年8月28日，中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流，取得里程碑式进展。散裂中子源将于今年春天竣工，争取实现稳定、可靠、高效的运行，向用户开放。今年工程将通过国家验收。

感谢张德江委员长和路甬祥院长十一年前富有远见的决定，使散裂中子源落户东莞，成为现在粤港澳大湾区国家科技产业创新中心的核心大科学装置。

为粤港澳大湾区科技创新插上翅膀

散裂中子源支撑的学科研究和应用领域众多，是目前国际上公认的、与大型光源互补，却发挥着其无法取代作用的新一代科学研究和先进材料研发的主流大科学装置。中国散裂中子源的成功建设，将为香港和澳门地区诸多学科的中子散射研究和应用提供重大发展机遇。散裂中子源落户东莞后，港澳地区的许多大学“近水楼台先得月”，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。香港城市大学和香港科技大学的主要领导先后访问了散裂中子源，讨论合作。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。

中国散裂中子源的总体目标是建设我国在相关基础科学和高技术领域的具备原始创新能力的团队，促进我国科技、工业和国防等方面技术的大力发展，至2030年，带领我国中子散射技术的研究和应用科学界全面进入世界先进行列。实现这一目标主要从以下几个方面着手：第一，充分发挥一期三台谱仪，即通用粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用，为广大用户提供国际先进的研究平台。第二，中国散裂中子源下一阶段谱仪的选择及其性能指标应认真听取用户的意见，同时吸取国际先进经验，突出谱仪的特色和优势，特别应结合华南地区，尤其是广东、香港等地发展战略需求，培养和扩大中子散射用户群体。第三，与用户单位合作，利用各方面资源，积极推动用户谱仪的建设。第四，中国散裂中子源靶站500kW升级将使中子通量水平提升五倍。中子通量增加后，可开展更小样品的研究以及更短时间尺度的实时研究，并适度提升大部分谱仪的分辨率，大幅缩短高分辨模式实验的时间，从而大幅提升中子散射谱仪的性能和研究能力。

散裂中子源的建成恰逢“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，及担当国家科技产业创新中心的核心装置重托。中国散裂中子源也必将推动粤港澳大湾区的建设与发展，打造国家创新发展的重要引擎。