面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

                            ——中國科學院辦院方針

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                            陳和生:探索微觀世界的“火眼金睛”

                            2021-12-15 學習時報
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                              陳和生,中國科學院院士,現任國家重大科技基礎設施散裂中子源工程指揮部總指揮、北京正負電子對撞機國家實驗室主任、中國科學院高能物理研究所研究員。他長期從事粒子物理實驗研究,主持了重大科技基礎設施北京正負電子對撞機重大改造工程。陳和生曾榮獲國家科技進步一等獎、二等獎,第一屆全國創新爭先獎,中國科學院杰出科技成就獎等。 

                              散裂中子源究竟是什么?簡單來說,散裂中子源就是一種“超級顯微鏡”,其散射的中子如同“探針”,可以清晰檢測物質的內部結構,因此被認為是當今人類深度探索微觀世界的有力工具。它廣泛應用于新材料研發、關鍵零部件的性能檢測、癌癥治療等熱門領域,為材料科學、生命科學、環境科學等基礎研究,提供了先進的現代技術平臺,對解決前沿科學問題具有重大意義,是當之無愧的“國之重器”。

                              看透物質結構的“火眼金睛”——中子

                              如何去研究微觀結構呢?我們在中學時可以用顯微鏡來看花粉、看細胞等等。如果還想看更精細的結構,可以用電子顯微鏡。而要想看到分子結構,就需要用散裂中子源,或者是同步輻射光源,我們把它叫作超級顯微鏡。什么是同步輻射呢?同步輻射實際上就是非常強的X光,大家在醫院做檢查用的就是X光,但是同步輻射比它要強百億倍。用一般的方法是得不到這么強的X光的,所以就要利用大型的加速器,電子的束流在磁場拐彎的時候,會產生非常強的X光,我們把它叫作同步輻射。利用專門的加速器來產生很強的同步輻射,這樣就能夠研究物質的結構,比如說上海同步輻射光源、北京同步輻射裝置、合肥同步輻射裝置。

                              散裂中子源產生中子,它打在樣品上,樣品跟它相互作用以后,它的方向和動量都改變了,用探測儀器把這個樣品包起來,看看入射進來的中子經過樣品之后的變化,反過來就可以用數學方法反推出它的結構。

                              中子從哪兒來?自由的中子在正常的狀態之下,壽命很短,自然界中自由的中子壽命大概就是20分鐘左右,沒有辦法對它利用。絕大部分的中子都是在原子核里,質子、中子組成原子核,要得到自由的中子,需要從專門的大科學裝置來產生。這種裝置有兩類:一類是反應堆,反應堆的中子源是利用鈾235裂變的時候產生中子,它的問題是產生中子的時候,附帶產生很高的熱量,這樣就會產生一些危險。比如2011年,日本福島核電站發生的事故。在世界上,現在能夠找到修反應堆的地方,越來越困難,從環保的角度,這樣類型的反應堆逐漸地淡出了。第二種產生中子的實驗設施就是散裂中子源,它是用高能的質子去打靶,產生中子,這樣就沒有反應堆那樣很高的反應熱的問題,只要關掉電源,它就停止運行,不會有任何安全問題。所以現在發展的趨勢,就是逐步地用散裂中子源來代替反應堆,從事中子散射的研究。

                              散裂中子源造價高、技術復雜,中子探測起來也非常困難,實驗的難度非常高,所以在我們中國的散裂中子源建成之前,全世界只有3臺,英國的盧瑟福實驗室、美國的橡樹嶺實驗室和日本的原子能機構。經過大約20年的謀劃和建設,2018年8月,中國自己的散裂中子源終于在廣東東莞“橫空出世”,正式投入運行。由此,我國成為世界上第4個擁有這一科技“重器”的國家。

                              中國散裂中子源“初露鋒芒”

                              近年來,我國建成的上海光源、散裂中子源等大科學裝置,在提高自主創新能力方面發揮了重要作用,大大縮小了與發達國家的差距。與此同時,圍繞這些大科學裝置建成的科學與技術中心,也具有特殊的輻射、示范、引領作用,逐漸構筑起了重要的創新“高地”。但是,打造大科學裝置與制造一般的科研儀器設施不同,需要在建設中研制大量的非標準設備,而且規模大、建設周期長、投資巨大,需要匯集大批科學家和工程師,因此,會遇到工程建設與科學研究的雙重挑戰。

                              散裂中子源由三大部分構成,包括加速器、重金屬的靶、譜儀,所謂譜儀就是實驗終端。中國散裂中子源,它的加速器包括兩部分,一部分是8000萬電子伏特的質子直線加速器,注入到快循環同步加速器,跑兩萬多圈,把它加速到16億電子伏特,能量提高20倍。然后就去打靶,是一個鎢靶,用水冷的鎢靶,效率非常高,能夠產生非常強又非常短的中子。我們在靶站的周圍,建設很多譜儀,把樣品放在譜儀的中間,用探測器把它包起來,這樣就能夠知道,中子打上去以后,發生了什么情況。這個樣品就像一張漁網,我們往漁網上扔好多玻璃球,有的球就穿過漁網的間隙走了,有的碰到漁網的結點,它改變了方向。把所有的這些玻璃球的信息都測量出來,經過數學方法,就可以反推出來這張網的結構,這就是中子散射的研究方法。

                              2017年8月28日,我們首次打靶成功,獲得了中子束流,而且中子的能譜,完全符合理論的計算,一次打靶成功,調試的進度,遠遠超過國際上其他散裂中子源。特別可喜的是,我們設備的國產化率超過了90%,美國、日本的散裂中子源,都花費十幾億美元,我們只用了18億元人民幣。2018年8月通過了國家驗收,被給予非常高的評價:裝置的整體設計科學合理,靶站的最高中子效率和三個譜儀性能達到國際先進水平,顯著地提升了我國在這個領域當中的技術水平和創新能力,使得我們國家在強流質子加速器和中子散射領域實現重大跨越,技術和綜合性能進入國際同類裝置的先進行列。

                              “國之重器”前途無量

                              作為一個用戶裝置,要求穩定高效運行。從2017年以來,我們的打靶功率是節節提升,成功地達到了設計功率100千瓦的指標,始終做到穩定運行。目前注冊的用戶超過了2000人,其中來自粵港澳大灣區的有四分之一,還包括港澳用戶55人,國外用戶42人,完成了課題400多項,其中企業課題達到13%以上。在前沿科學研究和國家發展的一些關鍵領域,我們已經發表了文章65篇。

                              新型的能源材料是我們工作的重點。因為新能源的材料,比如儲氫材料、鋰電池材料,還有燃料電池的核心就是氫、鋰和氧,而這三種元素都對中子研究非常有利,又很關鍵。比如鋰電池的研究,只有用中子才能夠搞清楚鋰電池的鋰在什么地方,它怎么運動,我們過去這兩年多的工作,鋰電池的研究是一個重點,獲得了很多成果。

                              散裂中子源研究所產生出來的新技術,還有一項是硼中子靶向治癌。硼中子靶向治癌,是一種新的精準治療癌癥的二維技術,它是利用中國散裂中子源發展起來的技術所研制的。這種治療方法,相信會開辟癌癥放射治療一個新的篇章。它最大的優點,就是能夠治療那些彌散的,甚至擴散的癌。我們正在進行動物實驗,一年以后將要開展臨床試驗,完成了臨床試驗以后,就可以進行臨床治療。這種技術需要的靶向藥物,也是目前研究的熱點,希望國內做藥、研究硼化學的相關人士一起努力,找到效果更好的靶向藥物,為人民健康服務。

                              中國散裂中子源現在還不能滿足國內的需求,因為國內的用戶增長非常迅速。2018年全世界發表的關于中子散射的文章,13%以上都有中國單位署名?,F在我們的束流時間供不應求,2021年春天申請用戶的數目是2020年春天的兩倍,所以國家發展改革委已經批準了在“十四五”期間,進行散裂中子源的二期工程。二期工程將增建11臺譜儀,這樣就覆蓋了用戶的各個領域,同時把束流的功率,從現在的100千瓦提高到500千瓦,總投資30億元。

                              由于大科學裝置的社會影響和輻射效應,現在國內興建大科學裝置的熱情迅速提高,但是盲目上馬、低水平重復,會帶來很多問題。我們國家現在大科學裝置的數量和種類,和發達國家已經比較相近了,但是我們裝置的實驗終端,它的數量和水平、研究工作的水平、科學產出,和發達國家相比差距比較大。我們最緊迫的不是說各個省市動員大家都去上同步輻射、上散裂中子源,而是集中力量辦大事,集中我們有限的財力物力、集中我們有限的隊伍,把我們的大科學裝置建好,真正讓它達到國際先進水平。必須繼續堅持國家統一規劃和部署重大科技基礎設施的原則,堅持以國家科學技術發展戰略需求和用戶需求為導向,這是保證我們國家大科學裝置持續發展、健康發展的關鍵。

                            打印 責任編輯:侯茜
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