打造探索物質結構的“超級顯微鏡”

記中國科學院中國散裂中子源科研團隊

“一花一世界、一樹一菩提”，就算是不起眼的一粒沙子，內部也可能隱藏着一個完整的世界。

如何才能看到沙子裏面的世界呢？從16世紀末光學顯微鏡誕生，到20世紀電子顯微鏡出現，人們能夠清晰分辨出單個原子，也就是説真的可以看到沙子裏面有個“小世界”了。

那麼，有沒有一個“超級顯微鏡”，可以看到比沙粒更微小的物質空間呢？

在位於粵港澳大灣區中部的廣東東莞，就有一個這樣的“超級顯微鏡”——中國散裂中子源。

投資23億元、歷時18年，由中國科學院院士陳和生率團隊籌備、規劃、建成的這個大科學裝置，是科研領域的“國之重器”，對我國探索前沿科學問題、攻克產業關鍵核心技術、解決“卡脖子”問題具有重要意義。

在“最小世界”做“最大科研”，是怎樣一種浪漫與執着？

揭開微觀物質世界的神秘面紗

“中國散裂中子源由中國科學院和廣東省共同建設，它使我國成為世界上第四個擁有脈衝型散裂中子源的國家。”作為中國散裂中子源工程總指揮，陳和生這樣説。

被稱為“超級顯微鏡”的散裂中子源，是用中子散射的方式探索微觀世界的頂尖工具。“其工作原理是把質子束當成‘子彈’，將質子加速到0.9倍光速，去轟擊金屬靶，將其原子核撞擊出中子，再利用這些中子開展各種實驗。”中科院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉介紹，當中子與研究對象的原子核發生相互作用，中子會向四周散射，從其散射軌跡及能量動量變化，可以反推出研究對象的物質微觀結構和動力學。

中國散裂中子源是一個由數以千計的高精尖設備組成的複雜整體，其建造工程本身，就是一個從“0到1”的巨大挑戰。“在建設中，除了解決基礎科學原理外，我們還要研製大量非標設備，工程與研究的雙重複雜性難以盡述。”中國科學院高能物理研究所東莞研究部中子科學部主任梁天驕介紹，團隊成員通過自主創新和集成創新，顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測器及電子學等領域相關產業技術水平和自主創新能力，先後攻克了25赫茲交流磁鐵、高功率靶、液氫慢化器、中子探測器等多項關鍵技術。

2017年8月，中國散裂中子源首次打靶成功，獲得漂亮的中子束流。通過中子散射實驗，科研人員可以開展新型鋰離子電池、磁性材料、高強合金、太陽能電池、航空材料、可燃冰、頁岩、催化劑等各個領域的研究。

“的確，從中子層面來看，一粒沙中就有一個廣闊世界。”陳延偉説，“散裂中子源團隊的使命，就是為人類揭開微觀物質世界的神秘面紗。”

探索前沿科技的星辰大海

2018年8月23日，經過十餘年的籌備和六年半的建設，中國散裂中子源工程圓滿通過了國家驗收，投入正式運行，填補了國內脈衝中子應用領域的空白，設備國產化率超過90%，性能全部達到或優於批覆的驗收指標。

也許人們會問，除規模大、投資巨、週期長之外，大科學裝置與一般科學裝備相比最大的不同在哪裏？

“大科學裝置是支撐基礎科學前沿研究和多學科交叉前沿研究的公共平台，主要是為用户開展原始創新提供科學服務，其產出是科學知識和技術成果，而不是直接的經濟效益。”中國科學院高能物理研究所東莞研究部加速器技術部主任王生強調。

“溯洄從之,道阻且長。”國家驗收通過，只是這支夢幻科研團隊的一個新起點。“正式通過國家驗收時，裝置的束流功率是20千瓦左右，而設計目標最終要提高到100千瓦。”王生説，“我們要做的工作還很多。”

此後，王生率領團隊成員在開放運行的間隙，進行了大量的束流調試和研究工作。2020年2月，正是疫情暴發初期，團隊成員在做好嚴格防疫前提下，開始了加速器束流提升攻堅戰。這一個月裏，調束人員共分為兩班，24小時工作不停歇。

2月28日，團隊十幾年的付出，終於迎來回報。中國散裂中子源打靶束流功率達到100千瓦的設計指標，並開始100千瓦穩定供束運行。這一刻，比原計劃整整提前一年半。這一刻，團隊成員無不熱淚盈眶。

十載耕耘，只為今朝亮劍出鞘。中國散裂中子源開放運行後，大科學裝置的綜合效應開始逐步顯現。在已完成的五輪運行中，中國散裂中子源服務全球用户，完成超過400項原創性課題研究，成為重要的原始創新策源地。

中國散裂中子源團隊經過漫長時間的努力，為科技界和產業界探索前沿科技的星辰大海打開了一扇大門。

星光浩瀚，前路可期。

為大灣區創新發展注入澎湃動力

2021年1月，中國散裂中子源多物理譜儀成功出束。這是中國散裂中子源科學中心、東莞理工學院和香港城市大學共同建設的國內首台中子全散射譜儀，也是中國散裂中子源第一台合作譜儀。

被譽為“眾多高新技術源泉和高新技術產業搖籃”的中國散裂中子源，在材料科技、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域具有廣泛應用前景，正在為大灣區創新發展注入澎湃動力。

“中國散裂中子源為港澳科學家開展相關科研提供前了所未有的便利。”梁天驕介紹，大灣區是國內先進製造業基地，對材料科學研究有着迫切的需求，中國散裂中子源佈局在此，為諸多產業發展提供重要支撐。

作為大灣區的重大科技基礎設施，中國散裂中子源讓大灣區建設“具有全球影響力的國際科技創新中心”有了堅實的基礎與支撐，港澳地區的多家高校紛至沓來，在此開展科學實驗。2020年1月，散裂中子源科學中心與香港城市大學、澳門大學、東莞理工學院共建的“粵港澳中子散射科學技術聯合實驗室”正式揭牌。

中國散裂中子源還帶來人才的“磁吸效應”。近年來，很多相關的一流科研機構和高新科技人才，主動選擇落户大灣區。“通過項目的建設，我們培養出一支優秀的青年科研隊伍。”陳延偉指出，“中國散裂中子源團隊的300多名科研工程人員平均年齡只有36歲，他們紮根東莞，成為粵港澳大灣區創新發展的寶貴財富。”

創新照亮未來，征程未有窮期。陳和生介紹，中國散裂中子源的總體目標是建設我國在相關基礎科學和高技術領域的具備原始創新能力的團隊，促進我國科技和工業等方面技術的加速發展，至2030年，帶領我國中子散射技術研究和應用科學界，全面進入世界先進行列。

“雖然，我們研究的是微觀物質結構，但我們服務的是民族復興偉大事業。”陳和生説，“只要這萬般努力能夠服務當下、通往未來，那‘十年磨一劍’就不算太久。”