中國(guó)“超級(jí)顯微鏡” 深度探索微觀世界

中國(guó)散裂中子源提供強(qiáng)有力研究手段

“超級(jí)顯微鏡”，深度探索微觀世界

　　廣東東莞，松山湖科學(xué)城，緊鄰高速公路，一片造型獨(dú)特的建筑群依山而建。山坡上，“中國(guó)散裂中子源”幾個(gè)大字赫然矗立。

　　中國(guó)散裂中子源是中國(guó)第一臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖型散裂中子源，被稱(chēng)為“超級(jí)顯微鏡”，是當(dāng)今人類(lèi)深度探索微觀世界的有力工具。

　　建成運(yùn)行6年多來(lái)，中國(guó)散裂中子源已向全球科學(xué)家完成12輪開(kāi)放，每年向用戶(hù)開(kāi)放時(shí)間超過(guò)5000小時(shí)。目前，注冊(cè)用戶(hù)超過(guò)7000人，已完成1700多項(xiàng)課題，成為材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開(kāi)發(fā)強(qiáng)有力的研究手段。

　　自2000年提出項(xiàng)目建議，到2018年通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收正式投入運(yùn)行，到如今二期項(xiàng)目加快推進(jìn)，20余年里，為了建設(shè)這一國(guó)家大科學(xué)工程，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所老中青三代科研人員攻堅(jiān)突破了一系列科技難題，用智慧和汗水，使得整體設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行。

　　自主創(chuàng)新，打造“中國(guó)方案”

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)、中國(guó)散裂中子源二期工程總指揮王生與中國(guó)散裂中子源有著不解之緣。在過(guò)去20余年里，從預(yù)研到建設(shè)，他深度參與其中，見(jiàn)證了這個(gè)“國(guó)之重器”從無(wú)到有并走向成熟的過(guò)程。

　　“建設(shè)大科學(xué)工程，既要有深厚的理論基礎(chǔ)，也需要有非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神和一絲不茍的工匠精神，我始終懷著敬畏之心?！蓖跎f(shuō)。

　　在中國(guó)散裂中子源建設(shè)之前，世界上已建成3臺(tái)脈沖型散裂中子源，分別是英國(guó)散裂中子源、美國(guó)散裂中子源和日本散裂中子源。

　　王生說(shuō)：“每臺(tái)散裂中子源采用的技術(shù)路線都有很大差別，指標(biāo)也不一樣。國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備是第一次研制，我們幾乎是從零起步?！?/p>

　　走別人沒(méi)走過(guò)的路，自然會(huì)遇到不少難關(guān)，設(shè)計(jì)中國(guó)散裂中子源的高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器便是其中之一。

　　中國(guó)散裂中子源是利用1.6GeV（十六億電子伏特）的高能質(zhì)子束流轟擊重金屬靶而產(chǎn)生高通量中子，中子經(jīng)過(guò)慢化可用來(lái)研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。因此，散裂中子源的加速器屬于高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器，其設(shè)計(jì)需滿足特殊要求：打靶的功率要高，同時(shí)要求束流損失控制在很低的水平。

　　“高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器，涉及眾多領(lǐng)域的前沿科技，從加速器物理設(shè)計(jì)到大量關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，在國(guó)內(nèi)都是第一次。”王生說(shuō)，“整個(gè)過(guò)程復(fù)雜且精密度高，僅加速器就由近萬(wàn)臺(tái)套設(shè)備組合而成，參與設(shè)計(jì)和研制的專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)超過(guò)150人，涉及10多個(gè)不同專(zhuān)業(yè)?！?/p>

　　最終，通過(guò)大量方案設(shè)計(jì)優(yōu)化比較，王生團(tuán)隊(duì)確定了中國(guó)散裂中子源采用較低能量的直線加速器和快循環(huán)質(zhì)子同步加速器的設(shè)計(jì)方案，造價(jià)低且易于升級(jí)，以很小的代價(jià)保留了束流功率提升5倍的能力，為保證中國(guó)散裂中子源長(zhǎng)期保持世界先進(jìn)水平打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　設(shè)計(jì)方案選定，裝置建設(shè)過(guò)程中，挑戰(zhàn)接二連三。

　　快循環(huán)質(zhì)子同步加速器的25赫茲交流諧振磁鐵是關(guān)鍵設(shè)備，在我國(guó)也是首次研制。

　　“當(dāng)時(shí)，鐵芯和線圈的振動(dòng)開(kāi)裂、渦流發(fā)熱等都是全新問(wèn)題，技術(shù)挑戰(zhàn)難度超乎想象。6年時(shí)間里，科研人員與工廠技術(shù)人員聯(lián)合攻關(guān)，多次優(yōu)化方案、改進(jìn)關(guān)鍵材料配方，逐一攻破技術(shù)難關(guān)，終于靠自己的力量研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)諧振狀態(tài)工作磁鐵。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部加速器技術(shù)部副主任李曉回憶說(shuō)。

　　針對(duì)磁鐵的磁場(chǎng)飽和，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了諧振電源的諧波補(bǔ)償新方法，解決了多臺(tái)磁鐵之間的磁場(chǎng)精確同步問(wèn)題，精度優(yōu)于國(guó)外散裂中子源，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

　　逢山開(kāi)路、遇水架橋。通過(guò)自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，散裂中子源建設(shè)團(tuán)隊(duì)先后攻克了25赫茲交流諧振磁鐵和電源、中子探測(cè)器等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)90%。

　　“國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程降低了裝置成本，同時(shí)提升了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和制造能力?！蓖跎f(shuō)。

　　精益求精，追求“中國(guó)質(zhì)量”

　　散裂中子源裝置極為龐大，部件繁多，工藝極其復(fù)雜，制造和安裝難度極大。

　　中國(guó)散裂中子源園區(qū)地下18米深處，有一條總長(zhǎng)600多米的隧道。一臺(tái)80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器和一臺(tái)16億電子伏特快循環(huán)質(zhì)子同步加速器就安放在這里。

　　這些設(shè)備對(duì)安裝誤差的要求極其嚴(yán)苛。王生至今仍對(duì)直線加速器漂移管的安裝過(guò)程印象深刻。

　　直線加速器4個(gè)真空腔體共有156個(gè)漂移管，安裝誤差不能超過(guò)30微米，安裝過(guò)程需要調(diào)節(jié)幾十個(gè)參量。剛開(kāi)始，工程團(tuán)隊(duì)24小時(shí)兩班倒。經(jīng)過(guò)半個(gè)月，好不容易裝到第六個(gè)部件并已完成標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，工程人員突然發(fā)現(xiàn)，由于部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，在標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，輕微的漏點(diǎn)不易被檢測(cè)出，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)。所以，團(tuán)隊(duì)還是決定把已安裝好的部件全部拆除，重新進(jìn)行安裝和檢測(cè)。

　　王生說(shuō)：“哪怕看似微小的問(wèn)題，都可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，所以工程建設(shè)過(guò)程中要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，不能放過(guò)任何一個(gè)潛在的問(wèn)題?！?/p>

　　為了滿足更多、更高的用戶(hù)需求，2024年1月，中國(guó)散裂中子源二期工程正式啟動(dòng)建設(shè)。二期工程建成后，裝置的研究能力將大幅提升，能夠?yàn)樘剿骺茖W(xué)前沿、解決國(guó)家重大需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題提供更加堅(jiān)實(shí)的支撐。

　　二期工程中，加速器打靶束（流）將從一期設(shè)計(jì)功率100千瓦提升到500千瓦。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部加速器技術(shù)部副主任劉華昌說(shuō)：“功率提升5倍，完全靠束（流）的流強(qiáng)提升，需要采用超導(dǎo)腔，將直線加速器的能量大幅提升。這對(duì)速調(diào)管的性能和指標(biāo)提出了更高的要求。”

　　大功率速調(diào)管零部件數(shù)以百計(jì)，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，從研制到安裝，每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須精確無(wú)誤。高通過(guò)率電子束流光路要求傳輸效率達(dá)到100%，所有零部件的安裝精度要控制在20微米之內(nèi)。

　　迎難而上，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究團(tuán)隊(duì)在前期環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)高效率速調(diào)管預(yù)研工作基礎(chǔ)上，同上下游企業(yè)通力合作、攻堅(jiān)克難，最終成功研制出首臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化P波段大功率速調(diào)管。

　　“經(jīng)過(guò)連續(xù)24小時(shí)無(wú)故障運(yùn)行，國(guó)產(chǎn)P波段大功率速調(diào)管全部性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求，順利通過(guò)驗(yàn)收?！眲⑷A昌說(shuō)。

　　勇于突破，跑出“中國(guó)速度”

　　2017年7月7日，中國(guó)散裂中子源的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器成功將質(zhì)子束流加速到設(shè)計(jì)能量1.6GeV，并成功引出。這是工程建設(shè)中的又一個(gè)里程碑。

　　王生說(shuō)：“按照國(guó)外以往的經(jīng)驗(yàn)，一般要半個(gè)月到一個(gè)月才能實(shí)現(xiàn)全能量的加速。但是，我們調(diào)速當(dāng)天就實(shí)現(xiàn)了全能量加速，并在48小時(shí)不間斷調(diào)束之后，將束流損失控制到允許的范圍內(nèi)。這表明，我們整臺(tái)加速器設(shè)計(jì)合理，硬件設(shè)備質(zhì)量?jī)?yōu)良，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。”

　　回憶當(dāng)時(shí)情景，王生仍難掩興奮，“當(dāng)看到設(shè)計(jì)中的束流曲線，在實(shí)際束流調(diào)試過(guò)程中逐步完美呈現(xiàn)出來(lái)時(shí)，那一刻心情特別激動(dòng)?！?/p>

　　把質(zhì)子束流成功加速到設(shè)計(jì)能量，為接下來(lái)的打靶等一系列環(huán)節(jié)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2017年8月，中國(guó)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(guó)散裂中子源工程圓滿通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)行。

　　工程達(dá)到驗(yàn)收指標(biāo)，只是萬(wàn)里長(zhǎng)征走完了第一步?！耙_(dá)到工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，還要在驗(yàn)收指標(biāo)10千瓦的基礎(chǔ)上，把束流功率提高10倍，達(dá)到100千瓦。”王生說(shuō)，“我們要做的工作還很多?！?/p>

　　此后，王生率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在工程開(kāi)放運(yùn)行的間隙，進(jìn)行了大量的束流調(diào)試和研究工作。在保證正常開(kāi)放運(yùn)行的情況下，團(tuán)隊(duì)科學(xué)安排束流調(diào)試，分階段提高束流功率。

　　2020年2月，團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)始了加速器束流提升攻堅(jiān)戰(zhàn)。這一個(gè)月里，調(diào)束人員共分為兩班，24小時(shí)工作不停歇。

　　2020年2月28日，中國(guó)散裂中子源打靶束流功率達(dá)到100千瓦的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并開(kāi)始100千瓦穩(wěn)定供束運(yùn)行。這比原計(jì)劃整整提前一年半，團(tuán)隊(duì)十幾年的付出，終于迎來(lái)回報(bào)。

　　“相比于國(guó)際上其它散裂中子源至少需要五六年達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的調(diào)束時(shí)間，我們跑出了中國(guó)速度。”王生興奮地說(shuō)。

　　作為散裂中子源科學(xué)中心譜儀研發(fā)與應(yīng)用一組的負(fù)責(zé)人，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部中子科學(xué)部副主任殷雯是最早參加中國(guó)散裂中子源工程的骨干之一。

　　2013年，隨著中國(guó)散裂中子源在東莞建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，殷雯開(kāi)始長(zhǎng)期在松山湖科學(xué)城工作，主導(dǎo)設(shè)計(jì)并建造了其中的靶站屏蔽體系統(tǒng)。

　　讓她引以為豪的是靶站屏蔽體系統(tǒng)中核心部分——中子束線開(kāi)關(guān)的自主研制。

　　“團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)、反復(fù)論證優(yōu)化，僅用18個(gè)月的時(shí)間，就攻克了所有關(guān)鍵技術(shù)，成功完成中子束線開(kāi)關(guān)系統(tǒng)樣機(jī)的研制，為工程正式開(kāi)工及后續(xù)批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵的技術(shù)保障?！?/p>

　　年輕力量，彰顯“中國(guó)精神”

　　中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目建設(shè)之初，大批剛剛走出校園的年輕人加入團(tuán)隊(duì)。隨著工程建設(shè)的推進(jìn)，這些年輕人也在實(shí)踐中不斷成長(zhǎng)。

　　以散裂中子源加速器團(tuán)隊(duì)為例，團(tuán)隊(duì)成員共120余人，平均年齡只有35歲左右，是國(guó)內(nèi)最年輕的加速器團(tuán)隊(duì)。

　　在王生看來(lái)，這是一支專(zhuān)業(yè)優(yōu)秀、朝氣蓬勃，特別有奉獻(xiàn)精神的團(tuán)隊(duì)。

　　“我們平時(shí)加班到晚上十一二點(diǎn)是常態(tài)。裝置是24小時(shí)開(kāi)放運(yùn)行，為保障用戶(hù)機(jī)時(shí)，出現(xiàn)故障時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員要隨叫隨到，凌晨?jī)扇c(diǎn)趕到現(xiàn)場(chǎng)解決突發(fā)的故障也是常有的事?！蓖跎f(shuō)。

　　隨著中國(guó)散裂中子源二期工程啟動(dòng)，青年團(tuán)隊(duì)挑起了更重的擔(dān)子，在關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研方面取得眾多關(guān)鍵進(jìn)展。

　　高功率高梯度磁合金加載腔是中國(guó)散裂中子源二期工程中必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。

　　李曉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近10年預(yù)研，從基礎(chǔ)材料和基本工藝著手，在國(guó)產(chǎn)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(huán)最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，比目前國(guó)際上公開(kāi)報(bào)道的最高性能指標(biāo)提高約30%。

　　“作為年輕科技工作者，要發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，要敢于挑戰(zhàn)世界最先進(jìn)的技術(shù)，同時(shí)要把自己的視野打開(kāi)，更多地參與到國(guó)際最前沿的競(jìng)爭(zhēng)中?！崩顣哉f(shuō)。

　　殷雯說(shuō)：“團(tuán)隊(duì)有朝氣、有魄力，更有向前突破的精神。對(duì)于我來(lái)說(shuō)，能趕上這個(gè)時(shí)代，并且在這個(gè)團(tuán)隊(duì)里工作是非常幸運(yùn)的事，因?yàn)樵谶@個(gè)平臺(tái)上，我們可以發(fā)揮特長(zhǎng)，不斷學(xué)習(xí)和提高?！?/p>

　　如今，這支年輕的團(tuán)隊(duì)還在不斷取得一個(gè)又一個(gè)新的突破。

　　“我們將持續(xù)推進(jìn)二期工程建設(shè)，為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供重要支撐，為加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量?！蓖跎f(shuō)。（記者 吳月輝）

　　轉(zhuǎn)自：人民日?qǐng)?bào)

　　【版權(quán)及免責(zé)聲明】凡本網(wǎng)所屬版權(quán)作品，轉(zhuǎn)載時(shí)須獲得授權(quán)并注明來(lái)源“中國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)”，違者本網(wǎng)將保留追究其相關(guān)法律責(zé)任的權(quán)力。凡轉(zhuǎn)載文章及企業(yè)宣傳資訊，僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表本網(wǎng)觀點(diǎn)和立場(chǎng)。版權(quán)事宜請(qǐng)聯(lián)系：010-65363056。

延伸閱讀