小粒子成就大世界 大装置驱动大未来——专访中国科学院高能物理研究所东莞研究部副主任金大鹏

文/林世爵

[导语]

作为国之重器，中国散裂中子源（CSNS，以下简称“散裂中子源”）是广东乃至我国重要的战略科技力量，积极融入和支撑国家重大发展战略。一期工程建成以来，散裂中子源通过自主创新和集成创新，在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果，显著提升了我国在高功率散裂靶、探测器及电子学等领域的技术水平和自主创新能力，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。为全面展现散裂中子源建设成效，近日，本刊记者前往中国科学院高能物理研究所东莞研究部专访了该部副主任金大鹏研究员，聆听关于散裂中子源的创新故事，感受大科学装置的大与美。

中国散裂中子源俯瞰图

十年磨剑铸造大国重器

《广东科技》：金主任，您好。请首先介绍一下散裂中子源的建设背景和基本情况。

金大鹏：中子散射就像“探针”，是探索物质微观结构的有力手段之一。散裂中子源不使用核燃料、热功率低、环境友好，因此成为了国际上先进中子散射源的发展趋势。位于东莞松山湖的这台散裂中子源是世界第四台、我国首台脉冲式散裂中子源，同时也是粤港澳大湾区首个重大科学基础设施。它的建成，不仅弥补了我国在脉冲中子应用领域的空白，同时也对我国探索材料科学、生命科学、新能源等领域前沿科学问题，攻克产业关键核心技术，解决“卡脖子”问题具有重要意义。

中国散裂中子源总投资约23亿元，由中国科学院和广东省人民政府共同建设。2011年10月，项目在东莞奠基。2014年10月，加速器首台设备进入隧道安装。2017年8月，散裂中子源首次打靶成功，顺利获得中子束流，为党的十九大献礼。2018年3月，散裂中子源按期高质量完成了工程建设任务，建成了我国首台散裂中子源。2018年8月，散裂中子源顺利通过国家验收。当时，国家验收委员会专家给了很高的评价，认为散裂中子源的性能全部达到或优于批复的验收指标，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3台谱仪综合性能达到国际先进水平。同年9月底，散裂中子源正式对国内外用户开放，实现稳定高效运行。

散裂中子源快循环同步加速器

散裂中子源靶站

探秘微观世界的“超级显微镜”

《广东科技》：作为探究物质材料微观结构的利器，散裂中子源的主要装置构成和工作原理是怎样的呢？

金大鹏：散裂中子源一期工程建设内容包括1台8千万电子伏特的直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环同步加速器、1个靶站，以及3台中子散射谱仪。其工作原理是将质子加速到16亿电子伏特，速度相当于0.9倍光速，把质子束当成“子弹”，去轰击原子序数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子，科学家通过围绕样品的谱仪“收集”中子，用于开展各种实验。由于中子不带电，不易受到带电质子和电子的阻碍，能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品上，大多数会不受任何阻碍而穿过样品，但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用，其运动方向也会发生改变，向四周散射。测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化，就可以精确地反推出物质的结构。可以说，散裂中子源装置就像一台“超级显微镜”，是研究物质材料微观结构的理想“探针”。

打造粤港澳大湾区重要原始创新策源地

《广东科技》：投入使用以来，散裂中子源在支撑相关领域基础研究和关键核心技术攻关方面发挥了哪些作用，取得了哪些重要成果？

金大鹏：散裂中子源支撑的学科研究和应用领域众多，是目前国际上公认的，与大型光源互补却发挥着无法取代作用的新一代科学研究和先进材料研发的主流大科学装置，其为来自基础与应用科学研究、工程和工业应用的广泛领域国内外用户提供了一个开放的大型中子散射研究和应用平台。作为散裂中子源的重要组成部分，谱仪是开展中子散射实验的核心装置，主要用于探测物质的微观结构和运动。首批建成并已开放实验机时申请的3台谱仪分别为通用粉末衍射仪、多功能反射仪和小角散射仪。其中，通用粉末衍射仪主要用于研究物质的晶体结构和磁结构，应用领域包括新型能量存储与转换材料、金属及合金功能材料、磁性材料等；多功能反射仪通过分析来自样品的反射中子，研究物质的表面和界面结构，主要应用领域包括各种磁性薄膜、超导及拓扑薄膜、软物质薄膜等；小角散射谱仪用于探测物质体系在1纳米～100纳米尺度内的微观和介观结构，实现在高温、低温和磁场加载条件下对纳米结构动力学演变过程的原位观测，主要应用领域包括聚合物和超分子、生物大分子、先进功能材料等。自建成投入使用以来，散裂中子源通过服务全球2000多家用户，已经完成了超过500项原创性课题研究，在磁性材料、纳米功能材料、高效催化剂、有机太阳能薄膜电池、高分子聚合物、生物大分子等领域取得了一批重大创新成果。此外，2020年8月，散裂中子源成功研制出我国首台自主研发的加速器硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置。

助推粤港澳大湾区科技创新合作

《广东科技》：作为粤港澳大湾区国际科技创新中心的核心大科学装置之一，散裂中子源为粤港澳大湾区科技发展和产业升级作出了重要贡献。请问散裂中子源在粤港澳科技合作方面主要开展了哪些工作，成效如何？

金大鹏：2019年2月18日，中共中央、国务院发布了《粤港澳大湾区发展规划纲要》，明确提出粤港澳大湾区建设国际科技创新中心，并就构建开放型区域协同创新共同体、打造高水平科技创新载体和平台、优化区域创新环境提出规划要求。散裂中子源是粤港澳大湾区首个重大科技基础设施，它的建成为港澳地区诸多高校、科研机构研究团队开展中子散射研究和应用提供了重要平台。比如，香港大学黄明欣团队通过散裂中子源发现了性能创世界纪录的超级钢；散裂中子源与香港城市大学王循理团队合作开展的非晶合金、高熵合金结构研究，与澳门大学中药国家重点实验室合作开展的药物控释研究，均取得了突破性研究成果。

在合作平台建设方面，散裂中子源联合东莞理工学院、香港城市大学建设多物理谱仪并于2021年1月26日成功出束，标志着国内首台中子全散射谱仪的设备研制与安装成功；中国科学院高能物理研究所与香港城市大学共同成立的中国科学院－香港地区中子散射科学技术联合实验室 于2019年3月正式揭牌；散裂中子源科学中心与香港城市大学、澳门大学、东莞理工学院共建的粤港澳中子散射科学技术联合实验室于2020年1月15日正式揭牌，成为了粤港澳大湾区国际科技创新中心的又一重要科研平台。

散裂中子源联合东莞理工学院、香港城市大学建设的多物理谱仪

《广东科技》：今年是“十四五”规划的开局之年，请介绍一下散裂中子源未来的发展方向或规划。

金大鹏：散裂中子源的总体目标是建设我国在相关基础科学和高技术领域具备原始创新能力的团队，促进我国科技和工业等方面技术的大力发展，尽早使我国中子散射技术研究和应用全面进入世界先进行列。为实现这一目标，我们将从以下几个方面着手：

一是充分发挥一期3台谱仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用，为广大用户提供国际先进的研究平台。二是结合国家和粤港澳大湾区的重大发展需求，积极整合国内外高端创新资源，加快推动用户谱仪建设。目前，散裂中子源正在新建8台合作谱仪，计划在3年内完成。未来的6年内，散裂中子源规划建设11台二期谱仪和实验终端，并将加速器打靶功率从目前的100kW升级到500kW。此外，散裂中子源还将建设用户实验室、高精度加工中心、散裂中子试验线站等辅助装备和配套服务设施，为满足国家重大战略需求和开展前沿科学研究贡献更多的动能。

散裂中子源的建成恰逢其时，发挥了重要的、不可替代的作用，肩负着发展中国中子散射研究和应用的重任，担当着粤港澳大湾区国际科技创新中心核心装置的重托，同时也必将驱动粤港澳大湾区的建设与发展，不断开创更加美好的未来。