中國散裂中子源的前緣今生_風聞

來源：微信公眾號：中國科學報  作者：倪思潔

中國散裂中子源航拍圖

“經過六年半的建設，中國散裂中子源正式通過國家驗收。”8月23日，位於東莞的中國散裂中子源傳來好消息。

這是我國第一台、世界第四台散裂中子源裝置。“六年半”只是這座“中子工廠”從奠基到啓用的時長。它走過的路，遠不只這些；它的步伐，也絕不會停留於此。

奠基前的十年籌謀

2010年的一段時間，東莞大朗鎮水平村一片偏僻冷清的荔枝林裏，經常出現一輛拉魚車。這輛車每天晚上負責拉魚，白天則拉着幾位長相斯文、學者模樣的人走進荔枝林。

荔枝林附近僅有的幾户人家聽説，這裏將建成一個園子，但他們不知道，這座園區意味着什麼。

建設中國散裂中子源的建議，起源於上世紀九十年代末期關於中國高能物理發展戰略的研究。中國科學院高能物理研究所和中國原子能研究院的老科學家指出了建設散裂中子源對國家科技發展的必要性。目前可以找到的最早明確提出建設散裂中子源的書面報告，是1999年2月高能物理所的發展戰略。

1999年9月，高能物理所與原子能科學院向科技部提交建設散裂中子源的建議。2000年8月兩家單位正式提出國家重大科學工程項目建議書——“多用途中子科學裝置脈衝強中子源”。

正如醫院裏的X光能拍出人體內部結構一樣，中子源可以為物質微觀結構拍片。中子不帶電，當中子束打到被研究的樣品上，大多數中子會不受任何阻礙穿過樣品，但有些中子會與研究對象的原子核相互作用，並向四周“散射”，通過測量中子散射的軌跡及其能量、動量變化，就可以精確地反推出物質的結構。

不同的是，中子不易獲得。正常狀態下，中子被原子核緊緊束縛着，自然界中的自由中子，壽命最多隻有15分鐘，且不易收集。於是，科學家想到，要建個“中子工廠”，源源不斷地產生中子。

由於造價高、技術複雜等原因，當時世界上只有英國、美國、日本擁有散裂中子源。

“散裂中子源可以為物質科學、生命科學、新能源等諸多領域的基礎研究和高新技術開發提供強有力的研究平台，對探索前沿科學問題、攻克產業關鍵核心技術、解決‘卡脖子’問題具有重要意義。”中國散裂中子源工程總指揮、工程經理陳和生説。

在中科院的支持下，前期研究開始。之後，“中國散裂中子源”又被寫入國家“十一五”大科學裝置建設計劃。中科院高能物理所、物理所的科學家開始設計和預製研究，並着手為散裂中子源選址。

“前期工作條件非常艱苦，幾位老同志頻繁上山考察選址，因為經費限制，租了輛拉魚車每天在工地上穿梭，大家下班後身上都有一股魚腥味。”陳和生回憶。

就在拉魚車頻繁上山後的一年，荔枝林裏平整出了一塊約402畝的山地。2011年10月，總投資23億元的中國散裂中子源裝置奠基。

工程建設跑出“中國速度”

在“中子工廠”裏，中子是這樣產生的：先通過高頻電磁場把質子加速到大約0.9倍光速，然後將質子束作為“子彈”轟擊重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子後，科學家再通過特殊的裝置把中子收集起來。

中國散裂中子源園區地下18米左右的地方，盤踞着總長600多米的隧道。這條隧道里有一台80兆電子伏特的負氫離子直線加速器和一台16億電子伏特快循環質子同步加速器。

這些龐大的設備容不得絲毫誤差。至今，中國散裂中子源工程副經理、加速器技術部主任傅世年還記得，加速器真空腔體的安裝過程有多“磨人”。

真空腔體有156個部件，安裝誤差不能超過30微米，剛開始，工程團隊24小時兩班倒，火力全開，經過半個月，好不容易裝到第6個部件，工程人員突然發現，如果延長標準檢測時間，有可能會發生漏氣現象。於是，儘管前面的部件安裝已經達到了檢測標準，他們還是決定推倒重裝。

“不能放走一個可能出現的問題，只有確定沒問題，心裏才能踏踏實實的。”傅世年説。

更“磨人”的是2014年加速器隧道土建發生的一次意外。這年4月，連續幾天的大暴雨讓直線加速器隧道嚴重滲水。要徹底解決滲水問題，必須在直線加速器隧道外再建造一層防水隧道。這讓土建工期延誤了一年多，設備安裝進度也相應延誤。

意外發生後，工程經理部決定，向國家承諾的工程竣工日期“後牆不倒”，立即開始將散裂中子源通用設備的安裝與土建工程交叉並行施工，先在地面大廳安裝調試原定在隧道里安裝測試老練的設備，待隧道完工後，再移到隧道重新安裝。這大大增加了安裝和調試的工作量和難度。

經過幾百個日夜，工程團隊趕回了工期。“連大年夜我們都是在隧道里度過的。”回憶起那段日子，傅世年的語氣中滿是自豪。

2017年底，散裂中子源國際顧問委員會年度會議上，外國專家感嘆散裂中子源工程建設的“中國速度”：“難以想象你們在短短的一年完成了如此大量的工作。”

技術創新打造“中國方案”

工程是挑戰，技術也是挑戰。

快循環同步加速器遇到了新的技術難題。“當時，我國還沒有研製過快循環同步加速器的25赫茲交流磁鐵。我們向美國、日本研究所的專家請教，但他們只懂科學設計，關鍵技術掌握在國外大公司手中，不能告訴我們。”傅世年説。

於是，科研人員與工廠技師咬緊牙關、聯合攻關，經過無數次失敗後，終於研製出合格的磁鐵。研發團隊還提出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多台磁鐵之間的磁場同步問題，其效果優於日本散裂中子源。

不僅如此，陳和生介紹，散裂中子源的“眼睛”——中子探測器的核心技術也曾由外國掌握，經過攻關，科研人員研發出擁有自主知識產權的探測器，各項性能達到國際一流水平。

同樣遇到技術挑戰的還有靶站。“中子工廠”生產中子的關鍵在於“打靶”，靶打得好不好直接決定了工廠的生產效率和質量。“當時，這樣的靶站設計在國內幾乎是‘零經驗’。”中國散裂中子源實驗分總體副主任梁天驕告訴《中國科學報》記者。

從2004年梁天驕加入這個團隊後，他親歷了靶站設計方案的四次大調整。直到2010年，靶站的物理設計方案基本確定，最終採用扁平包鉭鎢片靶，提高有效中子產生效率。

2017年8月28日10點56分18秒，中國散裂中子源成功打靶並輸出了第一束中子，中國人從此擁有了自己的散裂中子源。

如今，中國散裂中子源順利通過國家驗收，但他們並沒有打算停下來。“中國散裂中子源將不斷完善和改進裝置性能，儘快啓動後續譜儀建設和功率升級工作，擴大用户羣體。”陳和生説。

他們計劃提升中子生產能力、完善樣品環境、培養更多用户、建設更多譜儀……在他們心中，中國散裂中子源才剛剛邁出第一步。