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探營東莞“超級顯微鏡” 揭開中子源的神秘面紗

2021年01月11日 來源:南方網(wǎng)

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(截至發(fā)稿時,用戶課題數(shù)量超350項(xiàng))

  南方網(wǎng)訊 “加強(qiáng)國際科技創(chuàng)新合作”“以強(qiáng)化區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新打造國際科技創(chuàng)新中心”“以共建重大發(fā)展平臺拓展粵港澳協(xié)同發(fā)展空間”……在《中共廣東省委關(guān)于制定廣東省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》(下稱“《建議》”)中,關(guān)于加快建設(shè)粵港澳大灣區(qū)綜合性國家科學(xué)中心、打造世界級重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群的規(guī)劃愿景擲地有聲。而在東莞松山湖科學(xué)城里,一臺國家科學(xué)裝置、世界第四大脈沖中子源裝置早已在三年前投入試運(yùn)行。這臺“國之重器”的誕生,不僅填補(bǔ)了我國脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白,也為大灣區(qū)帶來了明顯的科技創(chuàng)新協(xié)同效應(yīng)。

  以上4個數(shù)字,皆指向坐落在東莞的中國散裂中子源裝置。它是干什么用的?為什么選址于粵港澳大灣區(qū)?普通民眾可以申請使用嗎?帶著這樣的好奇,南方網(wǎng)采訪組走進(jìn)中國散裂中子源(CSNS)一探究竟。

揭面紗 “國之重器”蘊(yùn)藏大能量

  中國散裂中子源由中國科學(xué)院和廣東省人民政府共同建設(shè)。整個園區(qū)一期占地400畝,總投資約23億元,其中國家出資18.6億建設(shè)主裝置區(qū)。整個裝置建在13米至18米的地下,包括直線加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站譜儀三個主要部分。

  2017年9月1日,中國科學(xué)院院士、國家大科學(xué)工程中國散裂中子源(CSNS)工程總指揮陳和生宣布,中國散裂中子源8月28日首次打靶成功,獲得中子束流,標(biāo)志著散裂中子源主體工程完工,并投入試運(yùn)行,為眾多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供了研究平臺。

  中子源到底是干什么用的呢?中科院高能物理研究所東莞分部副主任金大鵬給出了答案:散裂中子源是用中子了解微觀世界的工具,如一臺“超級顯微鏡”,可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),是國際前沿的高科技、多學(xué)科應(yīng)用的大型研究平臺。比如,中子散射是研究鋰電池的利器,大幅度地提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關(guān)鍵,可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀,實(shí)時原位測量在幾百次充放電的過程中,鋰電池各個部分性能的變化,為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。此外,可燃冰、磁性材料的研究,以及化學(xué)反應(yīng)催化劑的原位研究等,都必須使用散裂中子源?! ?/p>

金大鵬接受南方網(wǎng)采訪。記者李勝美 攝

  那么,科學(xué)家們?nèi)绾潍@得實(shí)驗(yàn)用的中子?中子在正常狀態(tài)下,被原子核緊緊束縛著,不能輕易地離開原子核;盡管自然界中存在自由中子,但這些中子的壽命很短,最多只能存在15分鐘,而且不易收集。所以科學(xué)家們要建設(shè)一個類似于“中子工廠”的大科學(xué)裝置,源源不斷地產(chǎn)生中子。產(chǎn)生中子主要有兩種方式:一種是利用鈾235的核裂變反應(yīng),但這種方式對于安全性是很大的威脅??茖W(xué)家設(shè)計(jì)了第二種產(chǎn)生中子的裝置——散裂中子源。散裂中子源不使用核燃料,熱功率低,環(huán)境友好,成為了國際上先進(jìn)中子散射源的發(fā)展趨勢。

  優(yōu)布局 助推科技創(chuàng)新走廊建設(shè)

  為什么中子源裝置會選址東莞?作為大灣區(qū)大力建設(shè)的重點(diǎn)創(chuàng)新平臺之一,東莞松山湖科學(xué)城被列入《實(shí)施意見》,是推動“廣州—深圳—香港—澳門”科技創(chuàng)新走廊建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)。金大鵬表示,除了因大朗鎮(zhèn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定適合建設(shè),主要是為了優(yōu)化我國大科學(xué)裝置的布局,將中科院的科研實(shí)力與珠三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力相結(jié)合,發(fā)揮東莞在珠三角中幾何中心的區(qū)位優(yōu)勢。

靶站(中科院高能物理研究所東莞研究部供圖)

  此外,選址東莞后,要提高地區(qū)的整體科技創(chuàng)新水平,面向公眾的科技素質(zhì)教育工作也尤為重要。記者了解到,起初在與高校、研究機(jī)構(gòu)交流的過程中,許多用戶對“散裂中子源能做什么”并不清楚。打靶成功后,中國散裂中子源每年都會定期免費(fèi)向公眾開放,并舉辦科普教育講座。去年5月,直線加速器、快循環(huán)同步加速器、加速器中央控制室、靶站譜儀等重要設(shè)施免費(fèi)向公眾開放,吸引了各行各業(yè)近6000人前往參觀,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)期的1500人,而在參觀人群中,學(xué)生就占了一半;今年5月,受新冠肺炎疫情影響,中國散裂中子源首次采用在線開放參觀的形式,在全網(wǎng)各大平臺累積獲得超過40萬人次在線觀看。

負(fù)氫離子直線加速器(中科院高能物理研究所東莞研究部供圖)

  重實(shí)效 好鋼要用在刀刃上

  “現(xiàn)在利用中國散裂中子源完成的用戶實(shí)驗(yàn)成果大約350多項(xiàng),我們的申請通過率基本不到40%,供不應(yīng)求,因此實(shí)際申請數(shù)量是更多的?!苯鸫簌i說。據(jù)了解,中子源項(xiàng)目在2018年8月23日投入正式運(yùn)行后的次月,就已對用戶開放,且用戶數(shù)逐漸增多。

  “只需要動動鼠標(biāo)、在線提交,很方便就能完成課題申請流程?!眮碜灾袊茖W(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院的李博士告訴記者。在收到課題申請后,專家會對實(shí)驗(yàn)的可行性和先進(jìn)性進(jìn)行評審,評審?fù)ㄟ^后用戶即可使用中子源設(shè)備。隨著申報(bào)課題數(shù)量呈上升趨勢,大科學(xué)裝置的輻射影響力正加速顯現(xiàn)。

  在走訪中,記者還得到了一組數(shù)據(jù):散裂中子源目前已完成的四輪開放運(yùn)行中,完成課題350多個,其中來自粵港澳大灣區(qū)的課題數(shù)約占40%。圍繞國際科技前沿和國家重大需求,取得了多項(xiàng)成果,包括新型鋰離子電池材料結(jié)構(gòu)、斯格明子的拓?fù)浯判浴⒆孕魻柎判员∧?、高?qiáng)合金的納米相、太陽能電池結(jié)構(gòu)、芯片中子單粒子效應(yīng)等,同時也開展了航空材料、可燃冰、頁巖、催化劑等的初步研究。截至目前,已有50多篇用戶實(shí)驗(yàn)成果論文發(fā)表或接收。

快循環(huán)同步加速器(中科院高能物理研究所東莞研究部供圖)

  聚人才 創(chuàng)新發(fā)展不止步

  科研成果不斷涌現(xiàn)的背后,是廣東著力推動科技創(chuàng)新體制機(jī)制改革,吸引了大批世界級尖端人才匯聚的結(jié)果。大量的科技人才為探索前沿科學(xué)問題、攻克產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù),推進(jìn)粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新中心建設(shè)做出了巨大的努力。

  談到中子源建設(shè)時,金大鵬表示:“為什么中子源建得這么少?首先它的建設(shè)比較復(fù)雜,難度除了在加速器之外,還有靶站,其防護(hù)和將來的維護(hù)都存在很高的難度,所以這里需要大量人才?!睋?jù)悉,依托散裂中子源等大科學(xué)裝置,東莞已經(jīng)吸引了多名人才前往創(chuàng)新創(chuàng)業(yè),培養(yǎng)了約400名科研工程隊(duì)伍,以及在加速器、靶站和中子散射研究等方面的頂尖人才。

  放棄了國外高薪,來到東莞工作的中科院高能物理研究所研究員鮑煜這樣說:“這些年來,我明顯感受到中國發(fā)生了翻天覆地的變化,這里有著廣闊的發(fā)展空間,對個人職業(yè)發(fā)展來說是非常有利的。放棄國外的工作回到國內(nèi)發(fā)展,我覺得非常值得?!边@些年來,東莞中子科學(xué)城的優(yōu)質(zhì)科研隊(duì)伍一直在不斷壯大,人才集聚要素更加明顯,為松山湖區(qū)域創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展提供了更有力的智力支撐。

  廣拓展 大灣區(qū)建設(shè)新引擎

  中國散裂中子源落戶東莞后,憑借地理位置優(yōu)勢,港澳地區(qū)的大學(xué)“近水樓臺先得月”?!跋愀凼鞘芤嬲咧唬F(xiàn)在很多香港的大學(xué)教授已經(jīng)開始利用中子源開展研究工作,比如港大、城大、科大等等?!痹鴧⑴c美國散裂中子源建設(shè)的香港城市大學(xué)物理科學(xué)與材料系主任王循理說。他建議,中國散裂中子源可聯(lián)合香港高校的潛在用戶建設(shè)“香港譜儀”。

一期三臺譜儀之一的小角散射儀(中科院高能物理研究所東莞研究部供圖)

  據(jù)了解,香港城市大學(xué)和香港科技大學(xué)的主要領(lǐng)導(dǎo)先后造訪中國散裂中子源,討論合作事宜:香港城市大學(xué)與散裂中子源和東莞理工學(xué)院正在合作建設(shè)多物理譜儀;中國科學(xué)院高能物理研究所與香港城市大學(xué)共同成立了“中子散射科學(xué)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”,實(shí)驗(yàn)室將推動中國散裂中子源與香港科學(xué)家的合作,促進(jìn)新增譜儀和其他應(yīng)用裝置的建設(shè),培育更多中子散射研究人才。

  在中國散裂中子源正式投入使用的兩年間,前往參觀、實(shí)驗(yàn)的用戶不斷增多??茖W(xué)研究的推進(jìn)、高端人才的聚集、多地合作的深化……“國之重器”的輪廓逐漸變得清晰,其研究成果也越來越滲入到更多的生活場景中,不再讓公眾覺得“遙不可及”。作為國家科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心的重大科學(xué)裝置,中國散裂中子源正在有力推動粵港澳大灣區(qū)的建設(shè),作為國家創(chuàng)新發(fā)展的新引擎而持續(xù)發(fā)力!

  策劃:唐莉娜

  統(tǒng)籌:江海燕 何靜文

  編導(dǎo):李勝美

  主持:陳司悅

  攝制:錢樹友 趙照

  設(shè)計(jì):張桂青

  支持:門麗麗 黎妙娟 婁曉希

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