在廣東東莞市松山湖科學(xué)城，緊鄰高速公路，有一片依山而建，造型獨特的建筑群，山坡上矗立著(zhù) “中國散裂中子源”幾個(gè)大字。《國之重器 硬核所在》，一起走近這個(gè)被稱(chēng)為超級顯微鏡的國之重器。

　　物質(zhì)由分子和原子組成，原子核又包含了中子和質(zhì)子。中子不帶電、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，是科學(xué)家探索微觀(guān)世界的理想探針。

　　當中子與被研究對象的原子核相互作用而改變運動(dòng)方向時(shí)，科學(xué)家通過(guò)分析散射中子的軌跡、能量和動(dòng)量的變化，就能反推出物質(zhì)的結構。這就好像我們不斷往一張看不見(jiàn)的網(wǎng)上扔彈珠，有的彈珠穿網(wǎng)而過(guò)，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運動(dòng)軌跡，就能大致推測出網(wǎng)的形狀；如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來(lái)，甚至推斷其材質(zhì)。

　　散裂中子源就是這樣一座生產(chǎn)、發(fā)射彈珠的 “超級工廠(chǎng)”。它的原理是，先把質(zhì)子加速到一定的能量，再把質(zhì)子束當成“炮彈”，去轟擊重金屬靶從而產(chǎn)生大量中子。科學(xué)家通過(guò)特殊裝置“操控”中子，用中子做探針觀(guān)察微觀(guān)世界，成為研究物質(zhì)靜態(tài)微觀(guān)結構和動(dòng)力學(xué)機制的“超級顯微鏡”，這對解決國家重大戰略需求和前沿科學(xué)諸多領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題有著(zhù)重要意義。

　　速調管研制成功

　　散裂中子源開(kāi)啟加速跑

　　2023年，中國散裂中子源運行超過(guò)5000小時(shí)，在新能源、合金、高分子、信息材料等領(lǐng)域創(chuàng )造出一批源頭創(chuàng )新成果。為了滿(mǎn)足更多更高的用戶(hù)需求，中國散裂中子源二期工程建設也即將啟動(dòng)，關(guān)鍵設備的研制目前正在緊張進(jìn)行中。

　　在散裂中子源科學(xué)中心的實(shí)驗室里，近日成功研制的關(guān)鍵核心設備——首臺全國產(chǎn)化P波段大功率速調管，經(jīng)過(guò)連續24小時(shí)無(wú)故障運行，全部性能指標均達到或超過(guò)設計要求，順利通過(guò)驗收。至此，中國散裂中子源二期工程關(guān)鍵加速器核心設備都擁有完全自主知識產(chǎn)權，整體國產(chǎn)化率已接近100%。

　　研發(fā)團隊成員劉華昌表示，速調管功率源由多個(gè)關(guān)鍵部件和系統組成，用于將電功率轉化為高頻微波功率，為粒子束流提供加速動(dòng)力。它是中國散裂中子源二期工程中，加速器打靶束流功率從100千瓦提升到500千瓦的關(guān)鍵設備之一。

　　中國散裂中子源科學(xué)中心加速器技術(shù)部副主任 劉華昌：我們的一期4臺這樣的設備，能夠將離子的能量從3兆電子伏特加速到80兆電子伏特，對應的離子速度，大概是不到0.4倍的光速。而我們二期會(huì )增加大概有20臺這樣的設備，將離子的速度進(jìn)一步從0.4提高到0.65倍的光速。

　　這就好比汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機，將化學(xué)燃料轉化為機械動(dòng)能，驅動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。由于二期工程是在一期的基礎之上升級而來(lái)，功率五倍的提升完全靠束流的流強提升，需要采用超導腔將直線(xiàn)加速器的能量大幅提升，這對速調管的性能和指標提出了更高的要求。當時(shí)，這種設備國內尚無(wú)研發(fā)和制造能力，一期工程只能選擇進(jìn)口，沒(méi)想到卻給如期完工，包括后續穩定運行帶來(lái)了一系列的影響。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所副所長(cháng) 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：一期用的4臺是從美國進(jìn)口的，最開(kāi)始調束之前就成為我們的一個(gè)瓶頸，這4臺速調管返回美國重新維修了五次，都發(fā)現大的質(zhì)量問(wèn)題。從那之后，也結合高能所的研究方向，我們就開(kāi)始國產(chǎn)化自主技術(shù)的研究。

　　大功率速調管這種電真空器件，零部件數以百計，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。從研制到安裝，每一個(gè)環(huán)節都必須精確無(wú)誤。高通過(guò)率電子光路要求傳輸效率達到100%，所有零部件的安裝精度要控制在20個(gè)微米之內，這個(gè)數值只有人頭發(fā)絲直徑的1/4。

　　讓劉華昌他們這些研發(fā)人員記憶最深的是，速調管的真空標準是標準大氣壓的千億分之一。這對大尺寸銅腔的焊接材料和技術(shù)是一個(gè)嚴峻的挑戰，稍有不慎，就容易頻繁出現打火現象，輕則影響裝置的穩定運行，重則導致整個(gè)功率源設備的損毀。

　　中國散裂中子源科學(xué)中心加速器技術(shù)部副主任 劉華昌：我們反復進(jìn)行了實(shí)驗驗證，幾個(gè)月，經(jīng)歷了幾十次、上百次的實(shí)驗，選擇了這種焊料。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所科研團隊和上下游企業(yè)通力合作，一道攻堅克難，最終圓滿(mǎn)完成了研發(fā)試制任務(wù)。中國散裂中子源二期工程的前期準備工作已全部就位，即將開(kāi)始加速跑。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所副所長(cháng) 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：二期工程會(huì )把散裂中子源最主要的技術(shù)指標，就是質(zhì)子束流的功率提升5倍，使它的研究能力大大提升，同時(shí)會(huì )新建9臺中子譜儀。二期工程全部完成以后，散裂中子源的研究能力已經(jīng)基本覆蓋了所有的中子散射(應用領(lǐng)域)。

　　中國散裂中子源譜儀大廳

　　原始創(chuàng )新新高地

　　中國散裂中子源由直線(xiàn)加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站以及中子散射譜儀等部分構成，其中加速器部分都在13米到18米的地下。地面之上的譜儀大廳，就是科學(xué)家的云集之地。年終歲末，來(lái)自全國各地的科學(xué)家依然在這里進(jìn)行最前沿的科技攻關(guān)。

　　來(lái)自東北大學(xué)的高建榮團隊與散裂中子源的譜儀科學(xué)家一起，正在為即將開(kāi)始的高溫合金定向凝固原位中子衍射實(shí)驗做最后的準備。

　　東北大學(xué)教授 高建榮：我們這個(gè)(實(shí)驗)涉及高溫真空環(huán)境，要研究高溫合金，就是做飛機發(fā)動(dòng)機葉片的那種金屬材料，從液體變成固體的過(guò)程當中，它的缺陷是如何形成的。

　　航空發(fā)動(dòng)機被譽(yù)為現代工業(yè)的“皇冠”，這顆“皇冠上的明珠”就是航空發(fā)動(dòng)機上的葉片。我國雖然也能生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機葉片，但多年來(lái)質(zhì)量和性能仍有待提高。

　　高建榮表示，航空發(fā)動(dòng)機葉片為空心結構，材料特殊，結構復雜，要想提高國產(chǎn)飛機葉片的質(zhì)量和制造效率，首先必須對材料有充分認識。早在五年前，他就開(kāi)始構思利用中子穿透性強的特點(diǎn)，進(jìn)行高溫合金定向凝固的原位觀(guān)測實(shí)驗。

　　中國散裂中子源科學(xué)中心副主任 梁天驕：這種實(shí)驗包括相關(guān)的設備研制應該說(shuō)是非常有挑戰性。高溫合金在模殼內融化，而且在這個(gè)里面垂直方向上運動(dòng)，我們在整個(gè)生長(cháng)過(guò)程中間，我們是不是都能夠獲得可靠的數據，這是高老師非常擔心的事情。

　　東北大學(xué)教授 高建榮：在這么復雜的條件下，我們能不能真的用中子觀(guān)察到這樣的信號，原理上來(lái)講覺(jué)得行，但是真正能不能看得見(jiàn)，我心里一點(diǎn)譜都沒(méi)有。

　　散裂中子源的譜儀科學(xué)家設計了幾個(gè)分解實(shí)驗，來(lái)驗證定向凝固設備的中子衍射實(shí)驗可行性，支持高建榮將更多的時(shí)間精力用于設備的研發(fā)上。半年后，高建榮得到驗證實(shí)驗成功的消息。

　　2018年，中國散裂中子源正式投入運行，使我國成為世界上第4個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國家。散裂中子源從2018年一期工程完成三條譜儀建設后，近五年來(lái)又跟高校、科研機構等展開(kāi)合作，先后啟動(dòng)了八條譜儀的建設。如今的譜儀大廳里，圍繞著(zhù)靶站，五顏六色的混凝土模塊搭建起各具功能和特色的譜儀。每個(gè)色塊搭建的空間就是一個(gè)實(shí)驗站，為我國在磁性材料、高效催化劑、金屬玻璃、高分子聚合物等諸多領(lǐng)域的研究提供了重要的實(shí)驗平臺。

　　四面出擊

　　中國散裂中子源結出累累碩果

　　如果散裂中子源是探索物質(zhì)微觀(guān)世界的超級顯微鏡，那圍繞著(zhù)靶站的一條條譜儀就是一個(gè)個(gè)不同的鏡頭，滿(mǎn)足不同學(xué)科、不同方向的科研需求。2023年，依托散裂中子源產(chǎn)出了一批又一批的原創(chuàng )成果，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了源頭動(dòng)能。

　　大氣中子譜儀是散裂中子源今年新運行的一臺譜儀，它可以加速模擬宇宙射線(xiàn)打到大氣層產(chǎn)生的中子輻照環(huán)境。過(guò)去，我們在大氣層內與地面的很多電子元器件的失效，都跟大氣中子的這種輻照有關(guān)系，特別是航空領(lǐng)域，電子設備失效的問(wèn)題更為關(guān)鍵。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所副所長(cháng) 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：在實(shí)驗室正常的情況下去找，可能他們做了十幾萬(wàn)個(gè)小時(shí)都找不到原因。但是在我們這里面，我們可以(用)10的8次方的速率加速它，就是說(shuō)我們以1億倍的速率，我在這做一分鐘，相當于我做了1億分鐘，就是很多年的測量，所以在我們這很快就定位了故障，就可以去加固它。加固之后再用我們的檢測發(fā)現定位很準確，加固的效果也很好。

　　2023年，依托中國散裂中子源，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，通過(guò)原位觀(guān)察鋰電池的充放電過(guò)程，首次發(fā)現了電池在充放電過(guò)程碳鋰化合物的一種不均勻現象，顛覆了業(yè)內對此的認識，為鋰電池的性能改進(jìn)和提升開(kāi)拓了新視野。

　　在工程領(lǐng)域，完成了國產(chǎn)高鐵車(chē)輪的原位應力測量，首次給出高鐵車(chē)輪完整的應力數據。為國產(chǎn)高鐵車(chē)輪的安全性評價(jià)，以及使用壽命的正確判斷，提供了非常重要的數據支撐。

　　中國科學(xué)院高能物理研究所副所長(cháng) 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：今年其實(shí)一直都很繁忙，我們散裂中子源現在每年開(kāi)放的時(shí)間是世界上最長(cháng)的，開(kāi)放5300個(gè)小時(shí)，所以是全年無(wú)休的。到明年我們的中子譜儀會(huì )增加到11臺全部開(kāi)放，這使我們的研究能力會(huì )有很大的拓展。

　　散裂中子源自投入運行以來(lái)，已累計完成10輪開(kāi)放運行，年均開(kāi)放機時(shí)超過(guò)5000小時(shí)，注冊用戶(hù)已達5000多個(gè)。2023年全年完成376項用戶(hù)實(shí)驗，其中有多篇學(xué)術(shù)論文在國內外一線(xiàn)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，遠超國外散裂中子源相同階段的成果產(chǎn)出水平。在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等眾多領(lǐng)域產(chǎn)出了一批重大原創(chuàng )成果。

　　此外，二期工程建設即將正式啟動(dòng)，未來(lái)譜儀數量將增加到20臺，加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦，大大提高實(shí)驗精度和速度。屆時(shí)，散裂中子源將測量更小的樣品，研究更快的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為我國高水平科技自立自強作出更多更大的貢獻。

　　(總臺央視記者 雷飚 梁治)