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松山湖水平 散裂中子生 | 陈和生——科学讲坛

2021-07-17 22:21     来源:中国物理学会期刊网     散裂中子源 直线加速器对撞机高能同步辐射光源质子加速器
2021年5月22日,“科普中国-我是科学家”第34期“突破想象力!”演讲现场,中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生带来演讲:《松山湖水平 散裂中子生》。

以下为陈和生演讲实录:
2021.05.22 深圳

大家下午好,非常高兴能有机会来给大家介绍中国散裂中子源。它就在离深圳很近的地方,大家看这就是松山湖,离今天的现场大概40公里。

 
昔日的松山湖图景(上),如今的散裂中子源(下) | 散裂中子源供图

这个地方本来盛产优质荔枝品种“糯米糍”,但2006年被我们选中,也是因为它是一个最适合建设大科学装置的地方。我们在2011年动工,经过了6年半建设,筑成了散裂中子源。

它包括直线加速器,会产生8千万电子伏特的质子,然后送到快循环加速器里。所谓“快循环”,就是每一秒钟25个赫兹,或者叫25个循环。
 
 


高精尖设备:国产化率超90% | 散裂中子源供图

把8千万电子伏特的质子加速到16亿电子伏特,再去打中间的靶站,就会产生散裂中子,然后我们用测量仪器来收集散裂中子的各项信息。

我们在2017年8月28日,在本土成功实现了散裂中子源运行,正可谓——松山湖水平,散裂中子生。


我国首台脉冲式散裂中子源顺利建成 | 散裂中子源供图

为什么要建设散裂中子源这样的大科学装置?

回顾上世纪物理学的进展,二十世纪是名副其实的物理学的世纪,物理学在这个世纪里经过了三次大跨越。


一百多年前,我们发现原子是由电子和原子核组成的,后来又发现原子核是由质子和中子组成的。上世纪六七十年代,我们最后发现质子和中子不是物质结构的最终单元,它们都是由更小的粒子——夸克所构成的。当时中国科学家给它起名叫“层子”。每一个质子和中子都包含三个夸克,夸克非常奇妙,它的电荷是1/3和2/3。

为了研究物质结构的三次大跨越,就需要建设非常大的加速器。因为被研究的物质结构越来越小时,需要越来越高的能量去分解物质。为了获得能量大的粒子,就需要建造非常大的加速器。北京正负电子对撞机周长240米,日内瓦欧洲核子研究中心的加速器周长27公里。只有用这么大的科学装置才能够得到非常高能量的粒子,才能去研究微观世界,去找到构成物质的最小单元,并研究它相互作用的规律。

上一个世纪三次大跨越,最终产生了深远影响。

一个是它变成了生产力,如大亚湾核电站,江门核电站——我们利用江门核电站中微子来做实验。如今强调绿色能源,强调碳中和,而核电是非常重要的清洁能源。利用核医学成像来诊断身体有无疾病,利用工业CT来检查设备有无缺陷,利用放射性加速器疗法去治疗癌症等等,这些都是上一个世纪物理学研究的成果转化。这种成果转化,也包括大家现在用的计算机、手机、GPS导航的开发。

还有一方面重要影响,就是它使社会政治发生了巨大变化。核武器的诞生,源于核物理研究。从1945年第一个原子弹在日本广岛爆炸以来,核武器一直是国际政治一个非常敏感、非常复杂的问题。


演讲嘉宾陈和生:《松山湖水平 散裂中子生》 | 拍摄:Vphoto

还有另外一个影响可能不被人所熟知。如今我们天天都在上网,看新闻,跟朋友聊天,网上购物,那么网页是怎么产生的?它实际上也是粒子物理研究的副产品。

1988年,为了大型科学实验的合作,网页在欧洲核子研究中心被发明出来。这项大型科学项目包含四个实验,每个实验有几千个科学家合力完成。他们分布在全世界,东到日本,然后到中国、印度、巴基斯坦;西到欧洲,到美国的东海岸纽约、中部芝加哥、西海岸旧金山,一直到夏威夷,跨越时间差二十个小时。那时没有现在方便的电话,更不会有免费的微信电话,交流非常困难。彼时的通讯要用电传,类似于电报,表达字数很有限。

当时一位在日内瓦欧洲核子研究中心的英国科学家提出来,利用当时刚刚产生的互联网开辟一个空间,让大家来发表意见。当日本、中国的科学家上班了,可以发表自己的意见,然后到欧洲科学家隔六七个小时上班,再发表自己的意见,这样就形成了互相联通的交流网络。

当时人们就看到了互联网的应用前景非常好,当然绝没想到会有现在这么大的影响。欧洲核子研究中心和这位英国科学家表示,我们这些做粒子物理研究的,都是纳税人的钱来支持的,因此不申请专利,把这个发明贡献给全人类。所以现在,大家每天在用手机看网页、购物、聊天,所有这些东西都是来源于这样一个发明。

可以看到大科学研究,不仅是为了实现基础研究理论的大跨越,同时会促进很多技术的生产。

回到国之重器,为了研究物质结构最小单元,要造非常大的加速器,产生非常高的能量,从而去研究非常小的尺度,比如说10-13cm,甚至于10-15cm、10-16cm。

这种设备可以分成两类,一类是某一个学科专门用的,比如说合肥的等离子体聚变的装置,或者贵州的天眼天文望远镜,或是日内瓦欧洲核子研究中心的大型对撞机,都属于某一个领域专门的设备。

 
专用大科学装置。
左:合肥“人造太阳”EAST | 新华网
右:贵州“中国天眼”FAST | 中新网

另一类就是大型科研平台。大型的加速器能够产生同步辐射,也能够产生中子,同步辐射产生的是一种非常强的X光,比医用X光可能强几十几百亿倍。它是研究物质结构非常好的工具,中子也是研究物质结构非常好的工具,所以生产这些工具的设备,就成了研究物质结构非常有利的平台。

中国的大科学装置起源于1984年,北京正负电子对撞机的建设是小平同志力排众议所决定的。我们当时经济还比较困难,有外国科学家问邓小平同志,现在中国还很穷,为什么要建北京正负电子对撞机?这是很昂贵的高科技设备。小平同志解释说,我们现在要建这个大科学装置,是为了我们国家未来的科技发展,是为了让中国的高科技在世界上占有一席之地。


“中国要在世界高科技领域占领一席之地!”——邓小平 | 高能物理研究所供图

应该说小平同志非常富有远见,北京正负电子对撞机开创了我国大科学装置建设的新纪元,它不仅产生了丰富的科学成果,也使我们国家像同步辐射光源、散裂中子源这样的大科学装置不断发展。同时,通过培养人才,建设管理机制,我们国家的大科学装置这么多年来有了非常大的进步。


陈院士领导北京正负电子对撞机改造 | 高能物理研究所供图

我有幸领导了两个大科学装置的建设。

一个是北京正负电子对撞机重大改造工程,1984-1988年建设了北京正负电子对撞机,十多年以后,为了能够保持国际领先地位,我们在2004-2008年对它进行了重大的改造,性能提高了100倍。我们按期完成,不超预算,性能比我们的美国竞争对手超过了十几倍。我们建成了美国康奈尔大学在同样能区类似的加速器,它就关门了。


北京高能光源 | 高能物理研究所供图

这个是正在建设的北京高能光源。像这些设备都是探索微观世界的超级显微镜。要研究物质结构的性质,需要先搞清楚物质结构,才能够理解它的性质。

我今天要给大家着重介绍的,是另一个大科学装置——建设在东莞的中国散裂中子源。



上:金刚石 | Pixabay
下:石墨 | Wikimedia Commons, Jurii / CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

上面这两张图是金刚石和石墨。金刚石非常昂贵,diamond is forever;而石墨很普遍。它们看似完全不同,但实际上都是碳原子组成,只是分子结构不一样。结构决定性质,不同的结构,哪怕是同样的分子组成的,都会得到完全不同的性质。


散裂中子源工作原理 | 散裂中子源供图

这是散裂中子源的示意图。直线加速器产生8千万电子伏特的质子,然后打到快循环同步加速器,再打到靶站,产生非常短、非常强的脉冲。

散裂中子源有一些典型的应用,比如说航空发动机。我们国家面临着航空发动机的心脏病,也是制约我们航空发动机性质的最大的困难之一,就是叶片金属疲劳——人会感到疲劳,金属也会疲劳,它每一分钟几万转,转的时间久了,它也就受不了了,会裂会碎,航空发动机的各个部件都有类似问题。

再比如可燃冰,南海可以开采可燃冰,为什么我们现在不继续开采?因为需要理解可燃冰的性质,这也需要先理解它的结构。只有这样,我们才能够安全地将其开采、储藏、运输和利用。可燃冰在南海底下,长度有几十公里、几百公里,厚度几十米,如果我们突然去捅咕它,或者突然对它进行气化,后果可能不堪设想。

火箭发动机内部的缺陷和损伤,只有用中子才能够探测。

还有电池,电动汽车本质上就是电池,我们希望充电快、容量大,并且性能安全,那么怎么做到?只有中子散射才能做到这一点。

还有芯片的单粒子效应,在国际前沿的研究里,如在基础科学和应用基础科学研究中,它也非常重要。因为中子有磁性,它不带电却有磁性,所以它穿透能力很强,是研究磁性材料非常好的一个手段。

另外,中子的特点是对碳、氢、氧、氮——这些生命科学和能源科学里最常见的元素非常敏感,这一点是同步辐射做不到的。所以我们可以用它来研究药物的结构,研究药物在人体当中作用输运的过程。

超导,本质上是一个非常复杂、和磁性结构密切关联的物质,用中子来研究超导非常重要。自旋电子学,就是现在大家经常听到的量子材料,要研究自旋电子的性质,也要用散裂中子源。

催化剂,90%以上的化学化工反应都要用催化剂,但催化剂到底是怎么发生作用的,化学家一直没有手段来系统研究。而中子散射能够透过非常厚的高温高压的化工容器,来原位地研究催化剂是怎么发挥作用的,给化学家提供了非常重要的研究手段。


由于金属疲劳引起的事故 | Wikimedia Commons, Nils Fretwurst /  Public domain

二十多年前,德国高铁ICE发生了一起重大事故,造成一百多人死亡,究其原因是金属疲劳。

为了应对金属疲劳,我们得弄明白到底运行多少公里就该换,十万公里,十五万公里,还是二十万公里?不同工艺造出的车轮之间有什么差别?这些最后都靠散裂中子源做到了。用它测量刚造好的车轮以及运行了几万公里、几十万公里的车轮,可以观察到金属疲劳现象。通过测量的数据来规定车轮的使用期限,这样就杜绝了此类事件的再次发生。

中国的高铁现在占世界高铁里程70%。但是我们的车轮都是进口的,国产的车轮要想通过鉴定开始使用,就需要测量它的残余应力,这也我们的重要任务之一。

由于上述这么多迫切需求,我们在世纪之交就提出来建设中国散裂中子源。当时世界上已经有了英国散裂中子源——卢瑟福实验室,美国散裂中子源——橡树岭国家实验室,还有日本散的裂中子源,在东海原子能机构。


规划建设中国散裂中子源 | 《人民日报》2000年7月28日

这是2000年7月28日的《人民日报》,7月27日国家科教领导小组主持了会议,其中讨论了中国高能物理和先进加速器发展战略。那时我们受科学院的委托,制定具体的发展战略,主要包括北京正负电子对撞机的重大改造,同时也规划了散裂中子源的建设。

当时我们就认识到,要优化中国散裂中子源,要优化中国大科学装置布局,不能都只建在北京上海。当时科学院的院长路甬祥就提出,要把中国科学院在基础研究和应用基础研究方面的雄厚实力,和珠三角地区强劲的经济实力,以及对科技升级、科技发展、产业升级的需求密切地结合起来。


优化全国大科学装置布局:散裂中子源落户珠三角 | 底层地图来源:自然资源部 监制 审图号:GS(2020)4630号

2006年2月,我到广州参加广州发改委会议,介绍散裂中子源在寻找建设地点。广东省领导表示非常支持,当时推荐了三个地点——珠海,广州的萝岗和东莞的松山湖。我们最后选择了松山湖。

工程建设期间,我们遇到了很多困难。比如,隧道混凝土的施工配比错误——工人们错误地吸取上海光源的经验,认为混凝土一米多厚,水泥不能多了,多了以后水泥的凝固热会造成裂缝导致渗水。然而,上海是在地面施工,我们是在南方19米深的地下,地下水非常丰富,所以施工后第一个雨季就渗水,水漫金山。为此,我们重新在外面包绕建设了一个隧道,最终解决了问题,但是耽误了一年多的进度。

我们觉得给国家承诺的时间不能变,所以采取了一切方法,包括把本来该直接安装到隧道的设备,先在地面安装调试老炼,等到隧道建好再安装下去,同时采取并行施工。这些都是加倍努力,有很大风险,但我觉得那么多国家的战略需求等着我们,我们不能懈怠,最终按期完成装置建设。


力保工期“后墙不倒” | 散裂中子源供图

还有其他困难。比如,大功率的磁铁单个有20多吨重,要通几千安培的电流,就有一个国际性问题:产生的振动会损坏磁铁。就像老的日光灯有镇流器,它会哗啦哗啦响,但二十几吨重东西哗啦哗响后果就非常严重。我们付出非常大的努力克服了,首次打靶就成功,而且是按下键去,就得到了完全符合预期的中子束流。


克服大功率交流磁铁的技术难关 | 散裂中子源供图

2017年7月份,我率领中国物理学会代表团到英国散裂中子源访问,他们所长就说,你们下个月要打靶可要小心,我们之前打靶按下后一两个礼拜过去,都不知道束流跑哪儿去了。各种各样的设备或软件故障把这个束流弄丢了,所以我们得做好准备去debark。

但是我们设计好,设备制造好,安装经验好,尽管我们的队伍非常年轻,但我们一按下去就实现了这个目标,成果非常丰硕。


2017年8月28日,散裂中子源首次打靶圆满成功 | 散列中子源供图

散裂中子源现在有两千多用户,其中1/4都来自粤港澳大湾区,60多篇和设备相关的文章已经发表。


香港大学团队发现世界上最高强度且韧性好的超级钢 | Science

香港大学黄明欣教授团队发现了世界上强度最高又韧性很好的超级钢——钢如果强度高往往就很脆,如何实现强度高又韧性好,通过怎样的办法证明团队发现的结果,这就需要通过中国散裂中子源来解释。通过中子散射研究钢的结构,揭示了背后的性质原理,最终结果发表在了《科学》杂志上。


散裂中子源用户遍布祖国大地 | 底层地图来源:自然资源部 监制 审图号:GS(2020)4630号

我们的用户遍布全国,很多省市都有,而且增长非常快,今年春天用户申请增加了一倍,原因是我们国家的中子散射发展非常快,现在全世界15%的中子散射文章都有中国单位署名。

去年8月,我们做了硼中子治癌的实验,它是利用散裂中子源的技术,一种二元化的精准治疗,用硼中子的靶向药物注射到人体。这种靶向作用能够凝聚在肿瘤上,然后拿中子去照射治癌,而照射是不需要精确瞄准的。

重离子或质子加速器治疗癌症非常复杂,它要准确控制能量,达到指定的深度,还要规定严格的形状,所以它的造价都在10亿、20亿以上。而我们这种技术不需要瞄准,是二元的疗法,现在已经在做动物实验,争取明年这个时候能够开始临床试验。我想这是治癌方面一个重大的革新。


散裂中子源为治癌提供新技术平台 | 央视新闻

大科学装置的建设是一个很长的过程。

我们在1999年提出来这个想法,2000年得到中央的原则同意,等到通过国家验收已经是2018年。这需要对国家的需求规划有高瞻远瞩,同时需要非常好的团队去努力实现这个规划。

我想,散裂中子源会成为真正的国之重器,而且能够为国民经济发展和国家安全提供一个最先进的研究平台,同时也会为前沿科学研究提供最强有力的工具。

我们刚刚通过了国家发改委的评审,将会在今年启动散裂中子源的二期工程,把它的功率提高5倍——中子流强增加5倍后,在同样实验精度下,取数据的时间减少5倍。流强提高了,就可以研究更小的样品,观察更快的过程。我们就能够达到美国日本的散裂中子源的单个脉冲的中子流强了。


散裂中子源二期工程:已列入十四五规划 | 散裂中子源供图

另外,根据广东省和中国科学院的规划,我们还将在散裂中子源的西面建设南方光源。我想这是一个最佳的组合,它会对湾区的科技创新、综合性国家科学中心的建设起非常大的作用。

2006年,我们讨论散裂中子源落户广东时,并没有想到这里会成为粤港澳大湾区综合性国家科学中心,但建成的时候恰好逢上湾区的战略部署,松山湖和深圳的光明新区都成为了粤港澳大湾区综合型国家科学中心的先行区。很重要的原因,就是因为散裂中子源在十多年前落户松山湖,有了这个基础。光明新区和松山湖仅一山之隔,我们希望深圳和东莞共同努力,共同发挥散裂中子源的作用,为粤港澳大湾区的建设发挥更大的作用。


建设南方光源的计划 | 散裂中子源供图

今天的观众中有很多学生,我想建设创新型国家是我们这一代人的责任,科技创新是实现中华民族伟大复兴非常关键的一步。我们要鼓励更多的年轻人来献身科学。只有更多的优秀年轻人为国家的科学技术献身,我们的科技创新才能够得以实现,因为科技创新归根结底还是要人来做的。

谢谢大家。


演讲嘉宾陈和生:《松山湖水平 散裂中子生》 | 拍摄:Vphoto

中国核能高质量发展大会

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