有何用？怎么用？用在哪？揭秘东莞“超级显微镜”新技能

　　3月30日，国家重大科技基础设施中国散裂中子源二期工程启动会在广东东莞举行。

　　中国散裂中子源被誉为探索物质材料微观结构的“超级显微镜”。从航空关键部件的金属疲劳到高铁车轮的服役安全性和服役寿命，从电动汽车的电池性能到高温超导材料的自旋涨落，过去5年，依托散裂中子源，科研人员在能源建设工程设备有哪些、物理、材料、化学、工程等多个前沿交叉领域取得了一系列重要科技创新成果，支撑国家重大战略需求的任务，也悄悄地改变人们的生活。

　　二期工程的开建，意味着中国散裂中子源正式“扩容”，装置研究能力将大幅提升，实验精度和效率将显著提高，将进一步加强中国散裂中子源在大湾区综合性国家科学中心的核心地位，为粤港澳大湾区未来科技发展注入更强大的动力。

　　而作为项目所在地——东莞，将在中国散裂中子源的“虹吸效应”下直接受益，再迎科创新机遇。

　　中国科学院高能物理研究所副所长、中国散裂中子源二期工程总指挥王生，中国科学院高能物理研究所东莞研究部加速器技术部副主任李晓，中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任张俊荣接受包括南都记者在内的媒体团采访，揭秘二期工程中的关键技术以及将为前沿科技研究带来哪一些研究手段。

　　中国散裂中子源是我国首台、世界第四台在运行的脉冲式散裂中子源，项目选址广东东莞，一期工程于2011年开工建设。2018年8月，一期工程建成通过国家验收并投入正式运行，填补国内脉冲中子应用领域的空白，设备国产化率超过90%。

　　中国散裂中子源就像一台“超级显微镜”，观测对象的尺度能达到原子和分子层级。中国散裂中子源先把质子加速到一定的能量，再把质子束当成“炮弹”，去轰击重金属靶从而产生大量中子。科学家通过特殊装置“操控”中子，用中子做探针观察微观世界。

　　目前装置主要包括一台负氢离子直线台快循环质子同步加速器、1个靶站、多台谱仪和实验终端。

　　“一期建设是以较小的投入，解决 ‘从无到有’的问题。”王生表示，不同类型的谱仪研究目标不同，但投资都很大，因此在一期工程中，只建设了三台中子谱仪。一期建设完工后，通过了和地方科研单位、大学机构等的合作，又陆续建设8台合作谱仪（已陆续开放运行，今年年底将全部启用），谱仪总数达到11台。

　　散裂中子源开放以后，用户实验的需求特别强烈，产生了一大批成果。2018年散裂中子源通过国家验收、投入运行以来，用户迅速增加，目前注册用户已超过6000人，机时供不应求。截至目前，已完成1500余项（含港澳台地区及国外100余项）用户实验课题。

　　散裂中子源的丰硕成果和用户的强劲需求是最重要的驱动力。鉴于这种情况，二期工程初步设计概算于2024年1月9日获国家发展改革委批复，建设周期为5年9个月。

　　王生表示，一期工程设计时，团队就考虑到现时指标是不能满足未来发展需求的，因而预留了二期升级的空间。

　　二期工程主要建设11台中子谱仪和实验终端（包括9台中子谱仪、1个高能质子束实验终端和1个缪子源实验终端），建成后中子谱仪数量将增加到20台，并新增国内首台缪子实验终端和高能质子实验终端；同时，加速器打靶束流功率将从一期的100千瓦设计指标提高到500千瓦。

　　另外，工程的建设要保证散裂中子源正常开放运行不受大的影响，王生表示，通过统筹安排设备研制进度并提前细化施工计划，在近六年的建设过程中，因二期工程设备安装调试需要的额外停机时间将不超过六个月。

　　散裂中子源利用中子束作为“探针”，探索物质材料微观结构。而中子的产生，就是用强流质子束打靶产生中子，因此质子束束流功率成为衡量装置性能的重要指标之一。

　　二期工程中，加速器打靶束流功率将从一期的100千瓦设计指标提高到500千瓦，对应的就是中子通量大幅度提升，实验效率更高。实验人员能在相同时间内完成更多的实验，也能测量更微量的实验样品。“中子散射方面的实验能力，会得到一个质的提升。”王生表示。

　　如果把散裂中子源比作“超级显微镜”，那么中子谱仪就是一个个“显微镜”的“眼睛”，具体而言，谱仪就是利用中子作为媒介，开展各种实验或应用的一套复杂实验装置。

　　二期工程要建设11台中子谱仪和实验终端。新装置上线后，将在超导和磁性量子材料机理研究、生命科学研究、催化等化学化工材料机理研究、稀土功能材料设计研发、锂离子和储氢研发、深海可燃冰和页岩油的开采存储、抗癌症和病毒药物研发等众多领域对国家关键核心技术问题提供不可或缺的支撑。

　　“我们会在二期重点建设一些谱仪，以支撑量子材料、生命科学、催化化工相关结构表征上面的研究。”张俊荣介绍，新谱仪的能力能够开展量子材料的自旋动力学机制、催化材料的原子动态演化过程，从而帮助提升和设计更高性能的先进材料。

　　“9台谱仪，每一台都是不同的。”王生强调，20台谱仪建成以后，散裂中子源的研究能力将覆盖目前中子散射能够开展研究的绝大部分领域，能力从一期的静态结构研究扩展到二期的结构和动力学的研究。

　　“有时候能力的提升，比 ‘从无到有’的挑战更大。”王生坦言。在装置建设之前，就需要对技术难点，有一本清晰的账。

　　打靶束流功率从100千瓦提高到500千瓦，提高了5倍，这是一个非常大的跨越。与之相关的是加速器、靶站、谱仪探测器等，都需要相应升级。而具体到加速器上，需要射频离子源、超导加速器、磁合金加载腔等多项关键技术的攻关。

　　以国内首台高功率高梯度磁合金加载腔为例。李晓表示，二期工程打靶束流功率从100千瓦到500千瓦，需要新增磁合金加载腔来扩大环形加速器的接收度以容纳更多的质子。磁合金加载腔的研发涉及多项技术，同时也与基础工业的原材料如纳米晶合金相关。“2010年还在中国散裂中子源一期工程建设阶段，我们就启动了自主研制工作，经过十余年的不懈努力，终于在2022年研制成功。并在当年暑期，就安装到隧道实际在线运行。加速梯度等核心指标达到国际领先水平。”

　　除此之外，P波段大功率速调管顺利通过验收，此外，中子探测器、中子导管、中子极化器的研制也取得了突破，为中国散裂中子源二期工程的成功建设奠定了坚实的技术基础。

　　王生表示，散裂中子源是各种高精尖设备组合的复杂整体，各种设备技术指标高，大部分都是靠自主研发。“通过和企业共同研发，会直接推动企业技术进步，这些技术进步很多可应用于产业。”一个国家可以建设这样复杂的大科学装置，也有赖于雄厚和完善的工业基础。

　　值得注意的是，散裂中子源一期工程，设备国产化率超过90%，在二期工程，主要核心设备有望全面实现自主研制，这将为装置运行维护和后续性能提升带来非常有利条件。以一期为例，现在每年开放给用户的时间均超过5000个小时，国际上这一数据大概为4000小时左右。

　　缪子是粒子物理标准模型中基本粒子中的一种，性质独特且应用广泛。高性能的缪子源是国际上综合性科学研究的重要实验平台。同散裂中子源类似，缪子源也是利用强流质子束打靶产生缪子束。我国过去因为缺少缪子源所依赖的高功率质子加速器，没有条件建设缪子源，利用缪子束作为实验平台或探针的很多研究工作无法在国内开展。

　　“缪子源一般会‘寄生’在中子源上。”王生表示，像英国的散裂中子源、日本的散裂中子源，会在中子靶前做一个碳靶，质子束流会先穿透碳靶，然后再去打击中子靶。而中国散裂中子源因为已有建筑的限制，将采取另外的办法——将4%的质子束流引出来，去打另一个固定靶，以产生缪子。

　　王生介绍，缪子和中子都是探测微观世界的理想探针，两者各具特色，可以互补。缪子源建成后，将在凝聚态物理、磁性材料、新能源材料、超导材料等领域发挥重要作用。