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探营东莞“超级显微镜” 揭开中子源的神秘面纱

2021年01月11日 来源:南方网

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(截至发稿时,用户课题数量超350项)

  南方网讯 “加强国际科技创新合作”“以强化区域协同创新打造国际科技创新中心”“以共建重大发展平台拓展粤港澳协同发展空间”……在《中共广东省委关于制定广东省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》(下称“《建议》”)中,关于加快建设粤港澳大湾区综合性国家科学中心、打造世界级重大科技基础设施集群的规划愿景掷地有声。而在东莞松山湖科学城里,一台国家科学装置、世界第四大脉冲中子源装置早已在三年前投入试运行。这台“国之重器”的诞生,不仅填补了我国脉冲中子源及应用领域的空白,也为大湾区带来了明显的科技创新协同效应。

  以上4个数字,皆指向坐落在东莞的中国散裂中子源装置。它是干什么用的?为什么选址于粤港澳大湾区?普通民众可以申请使用吗?带着这样的好奇,南方网采访组走进中国散裂中子源(CSNS)一探究竟。

揭面纱 “国之重器”蕴藏大能量

  中国散裂中子源由中国科学院和广东省人民政府共同建设。整个园区一期占地400亩,总投资约23亿元,其中国家出资18.6亿建设主装置区。整个装置建在13米至18米的地下,包括直线加速器、快循环同步加速器、靶站谱仪三个主要部分。

  2017年9月1日,中国科学院院士、国家大科学工程中国散裂中子源(CSNS)工程总指挥陈和生宣布,中国散裂中子源8月28日首次打靶成功,获得中子束流,标志着散裂中子源主体工程完工,并投入试运行,为众多领域的基础研究和高新技术开发提供了研究平台。

  中子源到底是干什么用的呢?中科院高能物理研究所东莞分部副主任金大鹏给出了答案:散裂中子源是用中子了解微观世界的工具,如一台“超级显微镜”,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构,是国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。比如,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。此外,可燃冰、磁性材料的研究,以及化学反应催化剂的原位研究等,都必须使用散裂中子源。  

金大鹏接受南方网采访。记者李胜美 摄

  那么,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,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,而且不易收集。所以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。产生中子主要有两种方式:一种是利用铀235的核裂变反应,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。

  优布局 助推科技创新走廊建设

  为什么中子源装置会选址东莞?作为大湾区大力建设的重点创新平台之一,东莞松山湖科学城被列入《实施意见》,是推动“广州—深圳—香港—澳门”科技创新走廊建设的重要节点。金大鹏表示,除了因大朗镇地质结构稳定适合建设,主要是为了优化我国大科学装置的布局,将中科院的科研实力与珠三角地区的经济实力相结合,发挥东莞在珠三角中几何中心的区位优势。

靶站(中科院高能物理研究所东莞研究部供图)

  此外,选址东莞后,要提高地区的整体科技创新水平,面向公众的科技素质教育工作也尤为重要。记者了解到,起初在与高校、研究机构交流的过程中,许多用户对“散裂中子源能做什么”并不清楚。打靶成功后,中国散裂中子源每年都会定期免费向公众开放,并举办科普教育讲座。去年5月,直线加速器、快循环同步加速器、加速器中央控制室、靶站谱仪等重要设施免费向公众开放,吸引了各行各业近6000人前往参观,远远高于预期的1500人,而在参观人群中,学生就占了一半;今年5月,受新冠肺炎疫情影响,中国散裂中子源首次采用在线开放参观的形式,在全网各大平台累积获得超过40万人次在线观看。

负氢离子直线加速器(中科院高能物理研究所东莞研究部供图)

  重实效 好钢要用在刀刃上

  “现在利用中国散裂中子源完成的用户实验成果大约350多项,我们的申请通过率基本不到40%,供不应求,因此实际申请数量是更多的。”金大鹏说。据了解,中子源项目在2018年8月23日投入正式运行后的次月,就已对用户开放,且用户数逐渐增多。

  “只需要动动鼠标、在线提交,很方便就能完成课题申请流程。”来自中国科学院大学材料科学与光电技术学院的李博士告诉记者。在收到课题申请后,专家会对实验的可行性和先进性进行评审,评审通过后用户即可使用中子源设备。随着申报课题数量呈上升趋势,大科学装置的辐射影响力正加速显现。

  在走访中,记者还得到了一组数据:散裂中子源目前已完成的四轮开放运行中,完成课题350多个,其中来自粤港澳大湾区的课题数约占40%。围绕国际科技前沿和国家重大需求,取得了多项成果,包括新型锂离子电池材料结构、斯格明子的拓扑磁性、自旋霍尔磁性薄膜、高强合金的纳米相、太阳能电池结构、芯片中子单粒子效应等,同时也开展了航空材料、可燃冰、页岩、催化剂等的初步研究。截至目前,已有50多篇用户实验成果论文发表或接收。

快循环同步加速器(中科院高能物理研究所东莞研究部供图)

  聚人才 创新发展不止步

  科研成果不断涌现的背后,是广东着力推动科技创新体制机制改革,吸引了大批世界级尖端人才汇聚的结果。大量的科技人才为探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术,推进粤港澳大湾区科技创新中心建设做出了巨大的努力。

  谈到中子源建设时,金大鹏表示:“为什么中子源建得这么少?首先它的建设比较复杂,难度除了在加速器之外,还有靶站,其防护和将来的维护都存在很高的难度,所以这里需要大量人才。”据悉,依托散裂中子源等大科学装置,东莞已经吸引了多名人才前往创新创业,培养了约400名科研工程队伍,以及在加速器、靶站和中子散射研究等方面的顶尖人才。

  放弃了国外高薪,来到东莞工作的中科院高能物理研究所研究员鲍煜这样说:“这些年来,我明显感受到中国发生了翻天覆地的变化,这里有着广阔的发展空间,对个人职业发展来说是非常有利的。放弃国外的工作回到国内发展,我觉得非常值得。”这些年来,东莞中子科学城的优质科研队伍一直在不断壮大,人才集聚要素更加明显,为松山湖区域创新驱动发展提供了更有力的智力支撑。

  广拓展 大湾区建设新引擎

  中国散裂中子源落户东莞后,凭借地理位置优势,港澳地区的大学“近水楼台先得月”。“香港是受益者之一,现在很多香港的大学教授已经开始利用中子源开展研究工作,比如港大、城大、科大等等。”曾参与美国散裂中子源建设的香港城市大学物理科学与材料系主任王循理说。他建议,中国散裂中子源可联合香港高校的潜在用户建设“香港谱仪”。

一期三台谱仪之一的小角散射仪(中科院高能物理研究所东莞研究部供图)

  据了解,香港城市大学和香港科技大学的主要领导先后造访中国散裂中子源,讨论合作事宜:香港城市大学与散裂中子源和东莞理工学院正在合作建设多物理谱仪;中国科学院高能物理研究所与香港城市大学共同成立了“中子散射科学技术联合实验室”,实验室将推动中国散裂中子源与香港科学家的合作,促进新增谱仪和其他应用装置的建设,培育更多中子散射研究人才。

  在中国散裂中子源正式投入使用的两年间,前往参观、实验的用户不断增多。科学研究的推进、高端人才的聚集、多地合作的深化……“国之重器”的轮廓逐渐变得清晰,其研究成果也越来越渗入到更多的生活场景中,不再让公众觉得“遥不可及”。作为国家科技产业创新中心的重大科学装置,中国散裂中子源正在有力推动粤港澳大湾区的建设,作为国家创新发展的新引擎而持续发力!

  策划:唐莉娜

  统筹:江海燕 何静文

  编导:李胜美

  主持:陈司悦

  摄制:钱树友 赵照

  设计:张桂青

  支持:门丽丽 黎妙娟 娄晓希

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