中國散裂中子源總指揮陳和生：我們能做到世界第二或者第三

散裂中子源對多個學科的研究具有重要價值，但是由於建造難度大，全世界目前僅有四台，中國就有一台。2018 年11 月 18 日，中國散裂中子源總指揮陳和生院士在 STEP 全球科技論壇上介紹了散裂中子源的科研價值、建造過程和研究方向。本文為演講文字記錄。

散裂中子源園區俯瞰 | 圖片來源：中國科學院高能物理所

陳和生，中國著名粒子物理學家，中國科學院院士，北京正負電子對撞機國家實驗室主任，中國散裂中子源的總指揮

大家下午好，很高興我來向大家介紹中國散裂中子源。這是我的報告的提綱。我首先向大家介紹中子散射及其應用，然後向大家介紹中國散裂中子源，最後是一個結束語。

大家知道，20 世紀是物理學的世紀，在這個世紀，物質結構的研究經歷了三次大的跨越，從原子物理到原子核物理，再到粒子物理。我們對微觀世界的認識前進了一大步，它的研究成果也轉化成為了巨大的生產力。大家知道，我們現代生活所依賴的所有的技術，包括核能、半導體、激光、計算機、GPS 網路，都是在上一個世紀物理學的成果基礎之上得到的。它對社會的政治也發生了深刻的影響，比如說核武器，又比如說互聯網。而我今天要給大家介紹的，是它第三方面的作用：它提供了最先進的研究手段，我們通常把它叫做大科學裝置。那麼典型的大科學裝置有同步輻射光源、散裂中子源，我今天想給大家介紹一下我們國家剛剛建成的散裂中子源。

大科學裝置是國家科技創新體系的核心單元，是我們國家綜合國力的象徵，它對國內外高度開放，並且廣泛的採取了國際合作的機制。中國的大科學裝置建設起始於北京正負電子對撞機，是鄧小平同志 1984 年在玉泉路光能所親自奠基，參加了落成典禮，並發表了「中國要在高科技領域佔領一席之地」的重要講話，說明發明大科學裝置的目的。

大科學裝置有兩類：一類就是單一學科的前沿研究，比如說粒子物理的對撞機、核物理的加速器、大型天文望遠鏡，包括大家近期關注的「天眼」也就是貴州的 FAST，還有研究等離子體聚變的裝置（例如合肥的 EAST）；另外一類屬於多學科交叉前沿研究平台，包括同步輻射光源，我們國家已經在運行的同步輻射光源有北京同步輻射裝置、合肥同步輻射光源和上海同步輻射光源，我們下個月就要在北京懷柔科學城動工的就是北京高能光源。散裂中子源這個是在廣東的東莞建設的，我們不久前通過了國家的驗收，待會兒會給大家做詳細的介紹。 另外還有自由電子激光，比如說上海最近動工修建自由電子激光。 以及很多極端條件的實驗平台，比如強磁場、高壓、低溫等等。這些大科學裝置成為國家科創中心的核心裝置，國家目前規劃的北京、上海、合肥以及粵港澳大灣區的大科學裝置，都是依託了這些科創中心，這四個科創中心，都是依託了這些大科學裝置。這些大科學裝置不僅是基礎研究和應用基礎研究的前沿，也是高技術研發的中心，往往環繞著它形成了高科技園，在國際上有很多成功的例子。

散裂中子源是探測物質結構的重要手段。1994 年諾貝爾獎物理學獎頒給了布洛克豪斯（Bertram N. Brockhouse）和沙爾（ Clifford G. Shull），他們分別發現中子可以探測原子、分子和原子、分子團簇的位置，也就是它的結構。沙爾還發現，中子不僅可以探測結構，還可以探測它的運動。所以他們揭開了中子散射的新紀元，因此獲得了諾貝爾物理學獎。

我們為什麼需要散射中子源？

中子散射研究物質結構和運動的特點，是和同步輻射相互補充的。同步輻射研究核外電子云的結構，X光和核外電子云相互作用，由此探測原子的位置。也就是說，越重的原子核，核外電子越多，你就能夠看得越清楚。但是同位素你就看不見，因為它們核外的電子數量一樣。另外輕的原子，比如碳、氫、氧、氮，核外電子少，同步輻射對它的敏感性就差。而中子探測有什麼特點呢？利用中子和樣品的原子核散射以後，我們可以研究物質的磁性，可以探測原子核的位置，可以利用它的高穿透性研究大的工程試樣，同時還可以研究物質的動態過程。下面我會就四個方面的性質分別加以簡單的介紹。

中國散裂中子源靶站的靶心| 圖片來源：中國科學院高能物理所

中子散射和同步輻射是研究中子結構兩種強有力的互相補充的工具，和同步輻射相比，散裂中子源造價高、技術複雜；而且由於中子的強度低，探測困難，所以實事求是的講，中子散射的實驗難度要高的多。所以到目前為止，全世界只有 4 台散裂中子源，但是同步輻射光源很多，一共六十多台，除了剛才講到的中國大陸的 4 台，台灣也有，臨近的泰國、新加坡很多的國家都有，日本就有十多台。但是，取得前沿科技的關鍵問題和國家經濟持續發展，以及國家安全的瓶頸問題，只有用散裂中子源才能解決。

中子散射是怎麼做實驗呢？首先我們要有一個中子源產生中子，讓中子射到樣品上；中子在樣品上會發生散射，我們就圍繞著這個樣品放各種各樣的探測器，由此我們就可以研究散射的中子能量的分布、位置的分布、方向的分布等等。有此來反推樣品的結構和運動性質。中子可以和原子相互作用，也可以和原子核的磁矩相互作用，這和 X 射線是不一樣的。

首先，中子雖然是電中性的，但是它本身有磁矩，這就使得它能夠穿透物質，並且對材料的磁性作深入的研究。比如說計算機的存儲廣泛利用了磁性材料，而磁性材料研究唯一的手段、最有效的手段就是利用中子磁矩。

第二個特點就是我剛才所說的，中子散射能夠對碳氫氧這些元素測的非常清楚。對比 X 射線和原子核的反應截面，和中子和原子核的反應的截面，可以看到對於較輕的原子，中子的反應截面最大，其次呢是碳、氧。生命科學就是碳氫氧氮，所以這個是非常重要的，對於同樣的蛋白質分子，中子散射的得到信息量會遠遠超過 X 射線。並且高溫超導材料中氧的位置很重要，中子散射也能得到這方面的信息。

中子散射的第三個特點就是它適用於可燃冰的研究。我們現在非常關心可燃冰的研究，這是一個有希望的能源，但是它埋藏在千米深的海下。大家很擔心，如果可燃冰由於人工的開採突然大量汽化，輕則在海上引起驚濤駭浪、造成事故，嚴重的可能會使人窒息而死。30 年前在非洲就出現過湖底的硫化氫突然釋放，使大批的人突然死亡的事件。所以，我們必須要正確理解、認識可燃冰的性質，才能夠去開採它、利用它。但是，可燃冰需要在高壓容器裡頭模擬千米深的海水的壓力，這就要用很厚的容器，同步輻射穿不過，而中子在這個地方就大有作為。而且中子能夠對碳氫化合物研究的很清楚。這個就是毛河光的超級千人計劃，他十多年前就在美國洛斯阿莫斯實驗室（Los Alamos）做了這個研究，我們的散裂中子源也正在做這方面的研究。

最後一個特點，就是由於中子有穿透性，它能夠穿透大的工程試樣研究金屬疲勞，研究材料應力。這個就是一個例子，大家知道 20 多年前德國高鐵發生過嚴重的事故，造成 100 多人死亡，最後研究的辦法就是把高鐵的輪子整個放到中子散射儀器裡頭，研究金屬疲勞。通過測量運行了不同公里數的輪子的金屬疲勞的情況，我們可以推出來到底該怎麼管理、檢查、維修高鐵的輪子。英國散裂中子源把 A380 飛機機翼的一段放到散裂中子源探測器里，因為鉚接焊接最不希望出現應力集中，那麼我們一面焊接鉚接，一面測量焊接鉚接溫度、應力的變化，這個就是 A380 做過的事情。

再介紹一個大家非常關心的汽車鋰電池的研究。日本幾個大的公司，索尼、日立、三菱電機、住友等等，聯合成立了日本鋰電池聯盟，花巨資在日本散裂中子源修了一個專用的研究現場。這方面的研究目的，就是希望這個電池容量更大、充電更快更安全，我想這是所有人的願望。電池的研究有兩方面：首先是對材料的研究，尋找更好的材料；然後更重要的是你要讓電池模擬實際使用的情況，比如在汽車裡頭充放電幾百次、上千次，看看裡頭材料性能的變化、電極的變化、電解液的變化，特別是有沒有氣體產生，氣體就是爆炸的根源。鋰電池在波音飛機上產生過爆炸，就是因為裡面氣體產生。所有這些只有通過中子散射研究才能了解。日本已經得到了很好的性能，這個是他們不同類型的電池得到的性能，以及他們的奮鬥目標。所以我們也準備修類似的譜儀，推動中國新能源汽車的發展。

還有就是我剛才說的，中子不僅僅可以測位置，而且由於中子本身的能量和固體晶格裡頭晶格振動的能量非常相近，所以它還能測結構和運動情況，這一點對很多研究都是非常重要的。

中子散射的研究可以用反應堆。我們國家最近兩年有兩個反應堆，一個是北京房山的中國原子能研究院的，還有一個中國工程物理研究院綿陽研究反應堆，都已經建成開放了。但是和反應堆相比，散裂中子源的特點在於它的中子脈衝的衝量特別高，有很好的時間結構，最關鍵的是它性能好，同時不使用核燃料。西方發達國家很難找到地方能夠修反應堆了，所以西方的研究型的反應堆都在逐步轉向散裂中子源。

中國的散裂中子源

下面我來介紹一下中國的散裂中子源。它是由中國科學院負責建設，承擔單位是高能物理研究所，就在我們這一條長安街的西面玉泉路。廣東省人民政府是共建單位，國家投資 18.66 億，廣東省匹配的經費也有十多億。

我們在 2011 年 9 月份動工，2018 年 3 月份完工。建設內容包括一台直線加速器、快循環同步加速器和一個靶站，這個是它基本的指標。我們第一期達到一千瓦的功率，脈衝頻率是 25 赫茲，而且我們具備快速升級到 500 千瓦的功率的能力。升級到 500 千瓦以後，我們每一個中子脈衝的速度都和美國洛斯阿莫斯實驗室的中子數目類似，但是它是花了 14 億美元造的，是 60 赫茲；我們是完全不同的設計方案，是 25 赫茲，只用了 18 億的人民幣。我們做到了單個脈衝的性質和它相近，這是我們的一個里程碑。

直線隧道（2013） | 圖片來源：中國科學院高能物理所

大科學裝置建設的周期是非常長的，實際上 1999 年我們高能研究所和原子能研究院就向科技部提出設想，2000 年的時候高能所受科學院委託，向國家科教領導小組提交高能物理和國家先進目標的發展報告，這裡面提出建設散裂中子源。2005 年 7 月國家科教領導小組批複「十一五」大科學裝置的規劃的時候，原則同意了散裂中子源的建設，但是整個周期很長，2011 年 10 月份奠基，今年 8 月份我們才通過國家驗收，正式對外開放。

我們的設計理念就是要建成一個世界一流的、多學科的中子散射平台，然後和我們國家的同步輻射光源優勢互補，為材料科學技術、生命科學、物理學、化學化工、自然環境、新能源這些領域提供強有力的手段。我剛才已經給了很多說明。我們建成以後將成為世界四大散裂中子源之一，我們的性能最後能做到世界第二或者第三。我們總體的方案具有國際先進水平，但是考慮到我們國家經濟技術的基礎，盡量採用成熟技術保證裝置可靠，同時國產化率達到 90% 以上，前期以小的投入能夠保證比較順利地升級到 500 千瓦。廣東省政府也給予巨大的支持，2007 年 2 月份，我們和廣東省簽訂了共建的協議。當時各個地方的政府遠不像現在這樣重視大科學裝置建設，廣東是有遠見的，所以當現在考慮建設粵港澳大灣區科創中心的時候，已經有了這樣的一個大科學裝置來支撐粵港澳大灣區的建設，所以當時科學院的院長路甬祥和廣東省的書記張德江同志做的決定是非常有遠見的。

這個工程遇到了很多的困難，沒有時間細談。舉個簡單的例子，由於施工單位工藝上的失誤，我們直線加速器這邊滲水很厲害，耽誤一年多的工期。為了保證向國家承諾的六年半的工期後牆不倒，我們採取了大量的措施，包括讓通用設備的水電纜控制線路的安裝和土建施工同時進行，大大提高了調度的難度和事故的風險。水道沒有做好，但是我們的設備需要安裝，本來是先安裝到水道里的，我們把設備在地面的大廳先安裝、調試、老練，等地下的水道好了，我們拆了再裝進去，大大增加了工作量，但是我們兌現了對國家的承諾。

這個是中子譜儀的規劃，20 台譜儀，由於經費的限制，我們第一期只有 3 台譜儀，分別是通用粉末衍射譜儀、小角散射譜儀和多功能反射儀。小角散射譜儀是很長的一個筒子。多功能的反射譜儀是測量薄膜的，各種各樣的薄膜，生命科學磁性材料各種。

散裂中子源一期建設的三台譜儀之一——小角散射儀探測器| 圖片來源：中國科學院高能物理所

去年 8 月 28 號，我們第一次打靶就獲得了成功，非常不容易。國外的散裂中子源基本要花十天半個月去 debug，才能把線路走通，我去年七月到英國散裂中子源，所長還警告「你得有思想準備，我們是花了 10 天才看見中子的」。但是我們那一次按下電鈕，發射第一團質子，就成功地得到了非常漂亮的中子。所以這就說明我們設備設計得好，質量研製得好，安裝調製得水平高，就是說我們這支年輕的隊伍第一次做到這樣好的成績。《新聞聯播》也做了報道。

今年 3 月 25 日科學院組織工藝驗收，認為散裂中子源的性能指標完全達到或者超過了預期。特別難能可貴的是，我們在 4 月份和 6 月份都有用戶的成果在國際頂尖的雜誌發表。美國散裂中子源前兩年的運行當中，是一篇用戶的文章都沒有發表，引起了能源部的不滿。而我們做到了3 月份通過工藝驗收，4 月份和 6 月份就有文章發表。

8 月 25 號國家驗收，給出很高的評價：

「裝置整體設計科學合理，研製設備質量精良，靶站最高中子效率和三台譜儀性能達到國際先進水平，通過自主創新和集成創新，承建單位在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大成果。散裂中子源的建設，顯著提高了我國在磁鐵、電子源、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，使得我們國家在中子散射領域實現了重大的跨越，技術和中國性能進入了國際的先進水平。」

國家驗收完成以後，我們就對外開放了，目前已經有大批的用戶在申請。我們希望儘快能發揮作用。（用戶實驗申請：https://user.csns.ihep.ac.cn/）

我們的散裂中子源能做什麼

由於時間的關係，我不多介紹這些譜儀了。通用粉末衍射譜儀是研究凝聚態當中原子排列結構的實驗手段，能夠滿足絕大多數用戶的需求，目前也是科學產出最高的。

多功能衍射譜儀研究薄膜材料的結構和磁結構，滿足材料、凝聚態物理和納米化學的需求。

第三個是小角衍射譜儀，它用處更加廣泛，比如說原油管道當中瀝青含量高的，它會出現堵塞現象，那麼就是用這個方法研究。還有大家看到英國散裂中子源研究人造骨骼。各種各樣的（課題）都可以用它來研究，可以解決很多這方面的問題。

未來的發展，我們珠三角地區的大學和研究機構和我們共建 5 台譜儀，廣東省無償捐贈兩台譜儀，這些是我們重點研究領域：材料殘餘應力、金屬疲勞，材料基因，化學催化劑、可燃冰的性質等等。

我們現在在積極推動它的二期工程，就是說建設更多的譜儀，滿足用戶的要求；同時把它的功率提高 5 倍。提高 5 倍以後，實驗可以做得更快，可以更好地研究動態的過程（比如說化學反應），也可以去研究更小的樣品，因為很多生命科學和材料科學的樣品一下子做不大 ，中子流強足夠高就可以研究。國家發改委積極的支持我們在下一個五年計劃（啟動），甚至在最近一兩年就能啟動。

最後是結語。中國散裂中子源是國家國民經濟和社會發展「十二五」的規劃項目，是在人大通過的規劃當中的項目，是迄今為止國家建設的最大的單項的科學裝置，是當之無愧的國之重器，它為很多的學科提供了先進的研究手段，並且為解決國家戰略需求的瓶頸問題提供先進的平台。我們克服重重困難，順利地完成了建設；我們積極培養用戶，爭取得到更好的科學成果。它也將成為粵港澳大灣區科創中心核心的大科學裝置。謝謝大家！

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