散裂中子源对多个学科的研究具有重要价值，但是由于建造难度大，全世界目前仅有四台，中国就有一台。2018年11月18日，中国散裂中子源总指挥陈和生院士在STEP全球科技论坛上介绍了散裂中子源的科研价值、建造过程和研究方向。本文为演讲文字记录。
陈和生，中国著名粒子物理学家，中国科学院院士，北京正负电子对撞机国家实验室主任，中国散裂中子源的总指挥。
大家下午好，很高兴我来向大家介绍中国散裂中子源。这是我的报告的提纲。我首先向大家介绍中子散射及其应用，然后向大家介绍中国散裂中子源，最后是一个结束语。
大家知道，20世纪是物理学的世纪，在这个世纪，物质结构的研究经历了三次大的跨越，从原子物理到原子核物理，再到粒子物理。我们对微观世界的认识前进了一大步，它的研究成果也转化成为了巨大的生产力。
大家知道，我们现代生活所依赖的所有的技术，包括核能、半导体、激光、计算机、GPS网络，都是在上一个世纪物理学的成果基础之上得到的。它对社会的政治也发生了深刻的影响，比如说核武器，又比如说互联网。而我今天要给大家介绍的，是它第三方面的作用：它提供了最先进的研究手段，我们通常把它叫做大科学装置。
大科学装置有同步辐射光源、散裂中子源，我今天想给大家介绍一下我们国家刚刚建成的散裂中子源。大科学装置是国家科技创新体系的核心单元，是我们国家综合国力的象征，它对国内外高度开放，并且广泛的采取了国际合作的机制。中国的大科学装置建设起始于北京正负电子对撞机，是邓小平同志1984年在玉泉路光能所亲自奠基，参加了落成典礼，并发表了“中国要在高科技领域占领一席之地”的重要讲话，说明发明大科学装置的目的。
大科学装置有两类：一类就是单一学科的前沿研究，比如说粒子物理的对撞机、核物理的加速器、大型天文望远镜，包括大家近期关注的“天眼”也就是贵州的FAST，还有研究等离子体聚变的装置（例如合肥的EAST）；另外一类属于多学科交叉前沿研究平台，包括同步辐射光源，我们国家已经在运行的同步辐射光源有北京同步辐射装置、合肥同步辐射光源和上海同步辐射光源，我们下个月就要在北京怀柔科学城动工的就是北京高能光源。
散裂中子源这个是在广东的东莞建设的，我们不久前通过了国家的验收，待会儿会给大家做详细的介绍。
散裂中子源是探测物质结构的重要手段。1994年诺贝尔奖物理学奖颁给了布洛克豪斯（Bertram N. Brockhouse）和沙尔（Clifford G. Shull），他们分别发现中子可以探测原子、分子和原子、分子团簇的位置信息，也就是它的结构。沙尔还发现，中子不仅可以探测结构，还可以探测它的运动。所以他们揭开了中子散射的新时代，因此获得了诺贝尔物理学奖。
我们为什么需要散射中子源？
中子散射研究物质结构和运动的特点，是和同步辐射相互补充的。同步辐射研究核外电子云的结构，X光和核外电子云相互作用，由此探测原子的位置。也就是说，越重的原子核，核外电子越多，你就能够看得越清楚。但是同位素你就看不见，因为它们核外的电子数量一样。另外轻的原子，比如碳、氢、氧、氮，核外电子少，同步辐射对它的敏感性就差。而中子探测有什么特点呢？
利用中子和样品的原子核散射以后，我们可以研究物质的磁性，可以探测原子核的位置，可以利用它的高穿透性研究大的工程试样，同时还可以研究物质的动态过程。
中子散射和同步辐射是研究中子结构两种强有力的互相补充的工具，和同步辐射相比，散裂中子源造价高、技术复杂；而且由于中子的强度低，探测困难，所以实事求是的讲，中子散射的实验难度要高的多。
所以到目前为止，全世界只有4台散裂中子源，但是同步辐射光源很多，一共六十多台，除了刚才讲到的中国大陆的4台，台湾也有，临近的泰国、新加坡很多的国家都有，日本就有十多台。但是，取得前沿科技的关键问题和国家经济持续发展，以及国家安全的瓶颈问题，只有用散裂中子源才能解决。
中子散射是怎么做实验呢？首先我们要有一个中子源产生中子，让中子射到样品上；中子在样品上会发生散射，我们就围绕着这个样品放各种各样的探测器，由此我们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。有此来反推样品的结构和运动性质。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，这和X射线是不一样的。
首先，中子虽然是电中性的，但是它本身有磁矩，这就使得它能够穿透物质，并且对材料的磁性作深入的研究。比如说计算机的存储广泛利用了磁性材料，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。第二个特点就是我刚才所说的，中子散射能够对碳氢氧这些元素测的非常清楚。对比X射线和原子核的反应截面，和中子和原子核的反应的截面，可以看到对于较轻的原子，中子的反应截面最大，其次呢是碳、氧。
生命科学就是碳氢氧氮，所以这个是非常重要的，对于同样的蛋白质分子，中子散射的得到信息量会远远超过X射线。并且高温超导材料中氧的位置很重要，中子散射也能得到这方面的信息。
中子散射的第三个特点就是它适用于可燃冰的研究。我们现在非常关心可燃冰的研究，这是一个有希望的能源，但是它埋藏在千米深的海下。
大家很担心，如果可燃冰由于人工的开采突然大量汽化，轻则在海上引起惊涛骇浪、造成事故，严重的可能会使人窒息而死。30年前在非洲就出现过湖底的硫化氢突然释放，使大批的人突然死亡的事件。所以，我们必须要正确理解、认识可燃冰的性质，才能够去开采它、利用它。但是，可燃冰需要在高压容器里头模拟千米深的海水的压力，这就要用很厚的容器，同步辐射穿不过，而中子在这个地方就大有作为。
而且中子能够对碳氢化合物研究的很清楚。这个就是毛河光的超级千人计划，他十多年前就在美国洛斯阿莫斯实验室做了这个研究，我们的散裂中子源也正在做这方面的研究。
最后一个特点，就是由于中子有穿透性，它能够穿透大的工程试样研究金属疲劳，研究材料应力。这个就是一个例子，大家知道20多年前德国高铁发生过严重的事故，造成100多人死亡，最后研究的办法就是把高铁的轮子整个放到中子散射仪器里头，研究金属疲劳。
通过测量运行了不同公里数的轮子的金属疲劳的情况，我们可以推出来到底该怎么管理、检查、维修高铁的轮子。英国散裂中子源把A380飞机机翼的一段放到散裂中子源探测器里，因为铆接焊接最不希望出现应力集中，那么我们一面焊接铆接，一面测量焊接铆接温度、应力的变化，这个就是A380做过的事情。
再介绍一个大家非常关心的汽车锂电池的研究。
日本几个大的公司，索尼、日立、三菱电机、住友等等，联合成立了日本锂电池联盟，花巨资在日本散裂中子源修了一个专用的研究现场。这方面的研究目的，就是希望这个电池容量更大、充电更快更安全，我想这是所有人的愿望。
电池的研究有两方面：首先是对材料的研究，寻找更好材料；然后更重要的是你要让电池模拟实际使用的情况，比如在汽车里头充放电几百次、上千次，看看里头材料性能的变化、电极的变化、电解液的变化，特别是有没有气体产生，气体就是爆炸的根源。锂电池在波音飞机上产生过爆炸，就是因为里面气体产生。所有这些只有通过中子散射研究才能了解。日本已经得到了很好的性能，这个是他们不同类型的电池得到的性能，以及他们的奋斗目标。
所以我们也准备修类似的谱仪，推动中国新能源汽车的发展。
还有就是我刚才说的，中子不仅仅可以测位置，而且由于中子本身的能量和固体晶格里头晶格振动的能量非常相近，所以它还能测结构和运动情况，这一点对很多研究都是非常重要的。
中子散射的研究可以用反应堆。我们国家最近两年有两个反应堆，一个是北京房山的中国原子能研究院的，还有一个中国工程物理研究院绵阳研究反应堆，都已经建成开放了。但是和反应堆相比，散裂中子源的特点在于它的中子脉冲的冲量特别高，有很好的时间结构，最关键的是它性能好，同时不使用核燃料。西方发达国家很难找到地方能够修反应堆了，所以西方的研究型的反应堆都在逐步转向散裂中子源。
中国的散裂中子源是由中国科学院负责建设，承担单位是高能物理研究所，就在我们这一条长安街的西面玉泉路。广东省人民政府是共建单位，国家投资18.66亿，广东省匹配的经费也有十多亿。我们在2011年9月份动工，2018年3月份完工。建设内容包括一台直线加速器、快循环同步加速器和一个靶站，这个是它基本的指标。我们第一期达到一千瓦的功率，脉冲频率是25赫兹，而且我们具备快速升级到500千瓦的功率的能力。
升级到500千瓦以后，我们每一个中子脉冲的速度都和美国洛斯阿莫斯实验室的中子数目类似，但是它是花了14亿美元造的，是60赫兹；我们是完全不同的设计方案，是25赫兹，只用了18亿的人民币。
我们做到了单个脉冲的性质和它相近，这是我们的一个里程碑。
大科学装置建设的周期是非常长的，实际上1999年我们高能研究所和原子能研究院就向科技部提出设想，2000年的时候高能所受科学院委托，向国家科教领导小组提交高能物理和国家先进目标的发展报告，这里面提出建设散裂中子源。2005年7月国家科教领导小组批复“十一五”大科学装置的规划的时候，原则同意了散裂中子源的建设，但是整个周期很长，2011年10月份奠基，今年8月份我们才通过国家验收，正式对外开放。
我们的设计理念就是要建成一个世界一流的、多学科的中子散射平台，然后和我们国家的同步辐射光源优势互补，为材料科学技术、生命科学、物理学、化学化工、自然环境、新能源这些领域提供强有力的手段。我刚才已经给了很多说明。
我们建成以后将成为世界四大散裂中子源之一，我们的性能最后能做到世界第二或者第三。
我们总体的方案具有国际先进水平，但是考虑到我们国家经济技术的基础，尽量采用成熟技术保证装置可靠，同时国产化率达到90%以上，前期以小的投入能够保证比较顺利地升级到500千瓦。广东省政府也给予巨大的支持，2007年2月份，我们和广东省签订了共建的协议。
当时各个地方的政府远不像现在这样重视大科学装置建设，广东是有远见的，所以当现在考虑建设粤港澳大湾区科创中心的时候，已经有了这样的一个大科学装置来支撑粤港澳大湾区的建设，所以当时科学院的院长路甬祥和广东省的书记张德江同志做的决定是非常有远见的。
这个工程遇到了很多的困难，没有时间细谈。举个简单的例子，由于施工单位工艺上的失误，我们直线加速器这边渗水很厉害，耽误一年多的工期。为了保证向国家承诺的六年半的工期后墙不倒，我们采取了大量的措施，包
括让通用设备的水电缆控制线路的安装和土建施工同时进行，大大提高了调度的难度和事故的风险。水道没有做好，但是我们的设备需要安装，本来是先安装到水道里的，我们把设备在地面的大厅先安装、调试、老练，等地下的水道好了，我们拆了再装进去，大大增加了工作量，但是我们兑现了对国家的承诺。
这个是中子谱仪的规划，20台谱仪，由于经费的限制，我们第一期只有3台谱仪，分别是通用粉末衍射谱仪、小角散射谱仪和多功能反射仪。小角散射谱仪是很长的一个筒子。多功能的反射谱仪是测量薄膜的，各种各样的薄膜，生命科学磁性材料各种。
去年8月28号，我们第一次打靶就获得了成功，非常不容易。
国外的散裂中子源基本要花十天半个月去debug，才能把线路走通，我去年七月到英国散裂中子源，所长还警告“你得有思想准备，我们是花了10天才看见中子的”。但是我们那一次按下电钮，发射第一团质子，就成功地得到了非常漂亮的中子。所以这就说明我们设备设计得好，质量研制得好，安装调制得水平高，就是说我们这支年轻的队伍第一次做到这样好的成绩。《新闻联播》也做了报道。
今年3月25日科学院组织工艺验收，认为散裂中子源的性能指标完全达到或者超过了预期。特别难能可贵的是，我们在4月份和6月份都有用户的成果在国际顶尖的杂志发表。美国散裂中子源前两年的运行当中，是一篇用户的文章都没有发表，引起了能源部的不满。而我们做到了3月份通过工艺验收，4月份和6月份就有文章发表。
8月25号国家验收，给出很高的评价：“装置整体设计科学合理，研制设备质量精良，靶站最高中子效率和三台谱仪性能达到国际先进水平，通过自主创新和集成创新，承建单位在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大成果。散裂中子源的建设，显著提高了我国在磁铁、电子源、探测器及电子学等领域相关产业技术水平和自主创新能力，使得我们国家在中子散射领域实现了重大的跨越，技术和中国性能进入了国际的先进水平。”
国家验收完成以后，我们就对外开放了，目前已经有大批的用户在申请。我们希望尽快能发挥作用。
我们的散裂中子源能做什么？由于时间的关系，我不多介绍这些谱仪了。通用粉末衍射谱仪是研究凝聚态当中原子排列结构的实验手段，能够满足绝大多数用户的需求，目前也是科学产出最高的。多功能衍射谱仪研究薄膜材料的结构和磁结构，满足材料、凝聚态物理和纳米化学的需求。
第三个是小角衍射谱仪，它用处更加广泛，比如说原油管道当中沥青含量高的，它会出现堵塞现象，那么就是用这个方法研究。还有大家看到英国散裂中子源研究人造骨骼。各种各样的（课题）都可以用它来研究，可以解决很多这方面的问题。
未来的发展，我们珠三角地区的大学和研究机构和我们共建5台谱仪，广东省无偿捐赠两台谱仪，这些是我们重点研究领域：材料残余应力、金属疲劳，材料基因，化学催化剂、可燃冰的性质等等。
我们现在在积极推动它的二期工程，就是说建设更多的谱仪，满足用户的要求；同时把它的功率提高5倍。提高5倍以后，实验可以做得更快，可以更好地研究动态的过程（比如说化学反应），也可以去研究更小的样品，因为很多生命科学和材料科学的样品一下子做不大，中子流强足够高就可以研究。国家发改委积极的支持我们在下一个五年计划（启动），甚至在最近一两年就能启动。
最后是结语。中国散裂中子源是国家国民经济和社会发展“十二五”的规划项目，是在人大通过的规划当中的项目，是迄今为止国家建设的最大的单项的科学装置，是当之无愧的国之重器，它为很多的学科提供了先进的研究手段，并且为解决国家战略需求的瓶颈问题提供先进的平台。我们克服重重困难，顺利地完成了建设；我们积极培养用户，争取得到更好的科学成果。它也将成为粤港澳大湾区科创中心核心的大科学装置。谢谢大家！