“超級顯微鏡”，深度探索微觀世界

中國散裂中子源俯瞰。

中國科學院高能物理研究所東莞研究部中子科學部副主任殷雯在進行實驗前的準備工作。 以上圖片均為中國科學院高能物理研究所東莞研究部提供

 

廣東東莞，松山湖科學城，緊鄰高速公路，一片造型獨特的建筑群依山而建。山坡上，“中國散裂中子源”幾個大字赫然矗立。

中國散裂中子源是中國第一臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，被稱為“超級顯微鏡”，是當今人類深度探索微觀世界的有力工具。

建成運行6年多來，中國散裂中子源已向全球科學家完成12輪開放，每年向用戶開放時間超過5000小時。目前，注冊用戶超過7000人，已完成1700多項課題，成為材料科學技術、生命科學、資源環境、新能源等方面的基礎研究和高新技術開發強有力的研究手段。

自2000年提出項目建議，到2018年通過國家驗收正式投入運行，到如今二期項目加快推進，20余年里，為了建設這一國家大科學工程，中國科學院高能物理研究所老中青三代科研人員攻堅突破了一系列科技難題，用智慧和汗水，使得整體設備國產化率達到90%以上，并實現穩定高效運行。

自主創新，打造“中國方案”

中國科學院高能物理研究所副所長、中國散裂中子源二期工程總指揮王生與中國散裂中子源有著不解之緣。在過去20余年里，從預研到建設，他深度參與其中，見證了這個“國之重器”從無到有并走向成熟的過程。

“建設大科學工程，既要有深厚的理論基礎，也需要有非常嚴謹的科學精神和一絲不茍的工匠精神，我始終懷著敬畏之心。”王生說。

在中國散裂中子源建設之前，世界上已建成3臺脈沖型散裂中子源，分別是英國散裂中子源、美國散裂中子源和日本散裂中子源。

王生說：“每臺散裂中子源采用的技術路線都有很大差別，指標也不一樣。國內同類設備是第一次研制，我們幾乎是從零起步。”

走別人沒走過的路，自然會遇到不少難關，設計中國散裂中子源的高能強流質子加速器便是其中之一。

中國散裂中子源是利用1.6GeV（十六億電子伏特）的高能質子束流轟擊重金屬靶而產生高通量中子，中子經過慢化可用來研究物質微觀結構和運動。因此，散裂中子源的加速器屬于高能強流質子加速器，其設計需滿足特殊要求：打靶的功率要高，同時要求束流損失控制在很低的水平。

“高能強流質子加速器，涉及眾多領域的前沿科技，從加速器物理設計到大量關鍵技術研發，在國內都是第一次。”王生說，“整個過程復雜且精密度高，僅加速器就由近萬臺套設備組合而成，參與設計和研制的專業團隊超過150人，涉及10多個不同專業。”

最終，通過大量方案設計優化比較，王生團隊確定了中國散裂中子源采用較低能量的直線加速器和快循環質子同步加速器的設計方案，造價低且易于升級，以很小的代價保留了束流功率提升5倍的能力，為保證中國散裂中子源長期保持世界先進水平打下了堅實基礎。

設計方案選定，裝置建設過程中，挑戰接二連三。

快循環質子同步加速器的25赫茲交流諧振磁鐵是關鍵設備，在我國也是首次研制。

“當時，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱等都是全新問題，技術挑戰難度超乎想象。6年時間里，科研人員與工廠技術人員聯合攻關，多次優化方案、改進關鍵材料配方，逐一攻破技術難關，終于靠自己的力量研制出國內首臺諧振狀態工作磁鐵。”中國科學院高能物理研究所東莞研究部加速器技術部副主任李曉回憶說。

針對磁鐵的磁場飽和，團隊還創新性地提出了諧振電源的諧波補償新方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場精確同步問題，精度優于國外散裂中子源，達到世界先進水平。

逢山開路、遇水架橋。通過自主創新和集成創新，散裂中子源建設團隊先后攻克了25赫茲交流諧振磁鐵和電源、中子探測器等多項關鍵技術，設備國產化率超過90%。

“國產化的過程降低了裝置成本，同時提升了國內相關產業的技術水平和制造能力。”王生說。

精益求精，追求“中國質量”

散裂中子源裝置極為龐大，部件繁多，工藝極其復雜，制造和安裝難度極大。

中國散裂中子源園區地下18米深處，有一條總長600多米的隧道。一臺80兆電子伏特的負氫離子直線加速器和一臺16億電子伏特快循環質子同步加速器就安放在這里。

這些設備對安裝誤差的要求極其嚴苛。王生至今仍對直線加速器漂移管的安裝過程印象深刻。

直線加速器4個真空腔體共有156個漂移管，安裝誤差不能超過30微米，安裝過程需要調節幾十個參量。剛開始，工程團隊24小時兩班倒。經過半個月，好不容易裝到第六個部件并已完成標準檢測，工程人員突然發現，由于部件的內部結構過于復雜，在標準的檢測時間內，輕微的漏點不易被檢測出，需要對標準檢測時間進行延長。所以，團隊還是決定把已安裝好的部件全部拆除，重新進行安裝和檢測。

王生說：“哪怕看似微小的問題，都可能導致嚴重后果，所以工程建設過程中要嚴把質量關，不能放過任何一個潛在的問題。”

為了滿足更多、更高的用戶需求，2024年1月，中國散裂中子源二期工程正式啟動建設。二期工程建成后，裝置的研究能力將大幅提升，能夠為探索科學前沿、解決國家重大需求和產業發展關鍵問題提供更加堅實的支撐。

二期工程中，加速器打靶束（流）將從一期設計功率100千瓦提升到500千瓦。

中國科學院高能物理研究所東莞研究部加速器技術部副主任劉華昌說：“功率提升5倍，完全靠束（流）的流強提升，需要采用超導腔，將直線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。”

大功率速調管零部件數以百計，涉及多個學科領域，從研制到安裝，每一個環節都必須精確無誤。高通過率電子束流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微米之內。

迎難而上，中國科學院高能物理研究所研究團隊在前期環形正負電子對撞機高效率速調管預研工作基礎上，同上下游企業通力合作、攻堅克難，最終成功研制出首臺全國產化P波段大功率速調管。

“經過連續24小時無故障運行，國產P波段大功率速調管全部性能指標均達到或超過設計要求，順利通過驗收。”劉華昌說。

勇于突破，跑出“中國速度”

2017年7月7日，中國散裂中子源的快循環質子同步加速器成功將質子束流加速到設計能量1.6GeV，并成功引出。這是工程建設中的又一個里程碑。

王生說：“按照國外以往的經驗，一般要半個月到一個月才能實現全能量的加速。但是，我們調速當天就實現了全能量加速，并在48小時不間斷調束之后，將束流損失控制到允許的范圍內。這表明，我們整臺加速器設計合理，硬件設備質量優良，達到設計要求。”

回憶當時情景，王生仍難掩興奮，“當看到設計中的束流曲線，在實際束流調試過程中逐步完美呈現出來時，那一刻心情特別激動。”

把質子束流成功加速到設計能量，為接下來的打靶等一系列環節奠定了堅實的基礎。2017年8月，中國散裂中子源首次打靶成功，獲得漂亮的中子束流能譜曲線。2018年8月23日，中國散裂中子源工程圓滿通過了國家驗收，投入正式運行。

工程達到驗收指標，只是萬里長征走完了第一步。“要達到工程設計指標，還要在驗收指標10千瓦的基礎上，把束流功率提高10倍，達到100千瓦。”王生說，“我們要做的工作還很多。”

此后，王生率領團隊在工程開放運行的間隙，進行了大量的束流調試和研究工作。在保證正常開放運行的情況下，團隊科學安排束流調試，分階段提高束流功率。

2020年2月，團隊成員開始了加速器束流提升攻堅戰。這一個月里，調束人員共分為兩班，24小時工作不停歇。

2020年2月28日，中國散裂中子源打靶束流功率達到100千瓦的設計指標，并開始100千瓦穩定供束運行。這比原計劃整整提前一年半，團隊十幾年的付出，終于迎來回報。

“相比于國際上其它散裂中子源至少需要五六年達到設計指標的調束時間，我們跑出了中國速度。”王生興奮地說。

作為散裂中子源科學中心譜儀研發與應用一組的負責人，中國科學院高能物理研究所東莞研究部中子科學部副主任殷雯是最早參加中國散裂中子源工程的骨干之一。

2013年，隨著中國散裂中子源在東莞建設持續推進，殷雯開始長期在松山湖科學城工作，主導設計并建造了其中的靶站屏蔽體系統。

讓她引以為豪的是靶站屏蔽體系統中核心部分——中子束線開關的自主研制。

“團隊經過多次試驗、反復論證優化，僅用18個月的時間，就攻克了所有關鍵技術，成功完成中子束線開關系統樣機的研制，為工程正式開工及后續批量生產提供了關鍵的技術保障。”

年輕力量，彰顯“中國精神”

中國散裂中子源項目建設之初，大批剛剛走出校園的年輕人加入團隊。隨著工程建設的推進，這些年輕人也在實踐中不斷成長。

以散裂中子源加速器團隊為例，團隊成員共120余人，平均年齡只有35歲左右，是國內最年輕的加速器團隊。

在王生看來，這是一支專業優秀、朝氣蓬勃，特別有奉獻精神的團隊。

“我們平時加班到晚上十一二點是常態。裝置是24小時開放運行，為保障用戶機時，出現故障時，團隊成員要隨叫隨到，凌晨兩三點趕到現場解決突發的故障也是常有的事。”王生說。

隨著中國散裂中子源二期工程啟動，青年團隊挑起了更重的擔子，在關鍵技術預研方面取得眾多關鍵進展。

高功率高梯度磁合金加載腔是中國散裂中子源二期工程中必須突破的關鍵技術。

李曉帶領團隊經過近10年預研，從基礎材料和基本工藝著手，在國產高功率高梯度磁合金加載腔的研制上取得重大成果，其中磁環最關鍵的技術指標，比目前國際上公開報道的最高性能指標提高約30%。

“作為年輕科技工作者，要發揮自己的主觀能動性，要敢于挑戰世界最先進的技術，同時要把自己的視野打開，更多地參與到國際最前沿的競爭中。”李曉說。

殷雯說：“團隊有朝氣、有魄力，更有向前突破的精神。對于我來說，能趕上這個時代，并且在這個團隊里工作是非常幸運的事，因為在這個平臺上，我們可以發揮特長，不斷學習和提高。”

如今，這支年輕的團隊還在不斷取得一個又一個新的突破。

“我們將持續推進二期工程建設，為粵港澳大灣區科技發展和產業升級提供重要支撐，為加快實現高水平科技自立自強貢獻力量。”王生說。

 

《 人民日報 》（ 2024年11月11日   第 19 版）

（責編：張若涵）