物理、化学诺贝尔奖大约一半都跟大科学装置有关。或是提出来的新思想在大科学装置上得到了验证,或是大科学装置提供了最先进的研究手段,发现了重大科学突破,或得到新的技术发明。
中国散裂中子源是位于广东东莞大朗的大科学装置,占地面积大概400亩。在它的前面,是珠三角环线高速G94的支线——9411,连接虎门到惠州。我们为什么要建散裂中子源?我们为什么选在广东东莞?我们建设的成果怎样?初步的实验结果怎样?
20世纪的物理学经历了三次大的跨越,从原子物理深入到原子核物理,再深入到粒子物理。一百多年前,我们发现了原子是由原子核和电子组成的,后来我们又发现原子核是由质子和中子组成的。从上世纪60年代开始,我们逐步发现组成原子核的质子和中子又是由夸克组成的。应该说,20世纪物理学的三次跨越,获得了巨大的研究成果,转换成了巨大的生产力。
随着对物质结构的研究深入到原子核和粒子层次,我们就需要能量越来越高的粒子来研究越来越小的尺度,这就需要利用大科学装置。中国的大科学装置建设起源于北京正负电子对撞机。这是上世纪80年代中期,邓小平同志的一个重大决策。他说:我们建设正负电子对撞机,就是为了让中国的高科技在世界上占有一席之地。应该说,小平同志的战略目标正在逐步实现。
大科学装置被称为“重大科学基础设施”、“大科学工程”,成为国家科技创新体系的关键单元之一,是国家综合实力的象征。几十年来,基于大科学装置的研究获得了重大科学突破,大装置的建设、运行和研究都产生了很多重大科学技术革新,有力地推动了高新技术的发展。
散裂中子源是探测物质的超级显微镜。加拿大的布罗克豪斯和美国的沙尔首先提出了这个创新的思想。布罗克豪斯提出,中子的散射可以探测原子、分子及其团簇的位置,而沙尔认为不仅可以探测位置,还可以探测它的运动。所以他们在1994年获得了诺贝尔物理学奖。
为什么要用中子散射来研究物质结构呢?现在研究材料结构的手段主要是同步辐射光源和散裂中子源。同步辐射用于探测原子核外的电子分布,而中子散射可以测量中子与样品的原子核散射后的方向和能量分布,它可以探测物质的磁性、原子核的位置、工程大试样,因为它的穿透性很好,还能探测物质里的动态过程。
中国散裂中子源由一个直线加速器80MeV(MeV,能量单位,兆电子伏特),快循环同步加速器1.6GeV,一个靶站,三台中子散射谱仪组成。它是由中国科学院和广东省政府共建,法人单位是中国科学院高能物理研究所,总共投资了18.6亿,2018年3月完工。
2000年,我们有了散裂中子源这个设想,2004年得到了国家科教领导小组的批准。但是,一直在北京找不到合适的地方。
2006年2月,我在广州参加省发改委组织的会议,和发改委领导谈到了散裂中子源在寻找建设地点的事情。时任中国科学院院长路甬祥提出一个思想,他希望把中国科学院在基础研究和应用基础研究的雄厚实力和广东省强劲的经济实力以及对科技创新和产业需求升级的迫切需求结合起来,在珠三角建设中国科学院的“第三高地”。
中国散裂中子源的成果和应用首次打靶成功,提前获得中子束流。我们在2017年8月份,第一次打靶就顺利成功,按下键就得到了漂亮的中子束流。国家验收委员会报告认为,设计科学合理,设备质量精良,达到国际先进水平,通过自主创新和集成创新,在强流质子加速器和中子散射方面取得一系列的重大技术成果,显著提升了我国在这些领域,实现了重大的跨越。
中国散裂中子源实现了稳定高效运行。我们的功率已经达到了50千瓦,这是设计值的一半,提供束流的效率超过94%。在通过验收以后,第二个月就有用户的文章发表。美国散裂中子源前两年什么文章都没有发表,引起很多的批评。我们的成果出的非常快。
未来,仅仅用现有的三台谱仪是不够的。我们正在和珠三角地区的科研单位、大学共建用户谱仪,广东省科技厅也捐赠了两台谱仪。因为很多材料残余应力和金属疲劳问题,唯一能解决问题的方案就是利用散裂中子源。我们正在向国家发改委申请二期工程,建设更多的谱仪,同时要把它的功率升到500千瓦。它是目前科学院十四五规划中排第一号的项目,甚至有可能在今年底就能启动。