“超级显微镜”看清微观世界

这是8月23日在广东东莞市大朗镇拍摄的中国散裂中子源主装置区

新华社发

整理/姚昊 制图/方磊

国家重大科技基础设施中国散裂中子源23日通过国家验收，投入正式运行，并将对国内外各领域的用户开放。这一设施将为诸多领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究平台。

国家发展和改革委员会组织的验收委员会专家认为，中国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，显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业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。

中国散裂中子源到底是啥？工程总指挥陈和生院士说，它就像“超级显微镜”，是研究物质材料微观结构的理想探针。例如，我们可以利用散裂中子源来研究大型金属部件的残余应力，这对于提高高铁关键部件和航空发动机部件的性能，以及核电站部件的服役性能十分重要。

装置综合性能达到国际先进水平

中国散裂中子源由中国科学院和广东省共同建造，中国科学院高能物理研究所为项目法人，中国科学院物理研究所参建。

在验收会上，中国散裂中子源工程总指挥、工程经理陈和生表示，中国散裂中子源总体设计方案与性能指标处于国际先进水平，同时也兼顾了我国目前经济和技术基础。

例如，加速器采用低能直线加速器+高能快循环同步加速器的方案，节省投资、易于升级；脉冲重复频率25Hz，能大幅度增加可利用的中子波长范围；采用扁平包钽钨片靶的设计，提高有效中子产生效率；尽量提高设备的国产率，促进国内相关技术发展，降低造价等。

在项目建设过程中，国内数百家科研机构和企业协同攻关，取得了大批创新成果，使我国强流质子加速器技术、靶站和中子散射谱仪技术实现了跨越式发展。

国家验收委员会专家认为，中国散裂中子源的各项指标均达到或优于批复的验收指标。装置整体设计先进，研制设备质量精良，靶站最高中子效率和三台谱仪综合性能达到国际先进水平。

中科院院长白春礼表示，中国散裂中子源90%以上的装置设备为自主研发并实现国产化，填补了我国脉冲中子应用领域的空白，为材料、生命和能源等科学领域的突破提供了重要手段。

自2018年3月试运行以来，中国散裂中子源运行稳定可靠，首期3台谱仪已完成10个用户单位16个研究组的21个用户样品实验，并取得了首批重要科学成果。这些实验都是针对国家重点发展领域，如锂离子电池材料、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜等。按照规划，中国散裂中子源还将陆续建设17台不同类型的谱仪。

首批重要成果瞄准国家重点发展领域

“大科学装置建设周期很长，从提出到立项、建成，周期典型是10年，现在能找到的最早提出建设中国散裂中子源的正式文件，是1999年由中科院高能物理研究所和中国原子能科学研究院联合向科技部提出的建议，到现在将近二十年了。”历经十余载终于迎来散裂中子源建成，陈和生非常感慨。

中国散裂中子源的建成，填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，将为诸多领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究平台，例如物质科学、生命科学、资源环境、新能源等。

据了解，中国散裂中子源自今年3月试运行以来，装置运行可靠稳定，首期三台谱仪已完成10个用户单位16个研究组的21个样品实验，并取得了首批重要科学成果。这些实验都是针对国家重点发展领域，充分发挥中子散射的特点，具有重要科学意义和代表性，涵盖了能源、物理、材料、工程等多个前沿交叉和高科技研发领域，如锂离子电池材料、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜等。接下来，中国散裂中子源将着力确保装置高效、稳定、可靠运行，不断完善和改进装置性能，尽快启动后续谱仪建设和功率升级工作。

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散裂中子源有什么作用

从埋藏深海的可燃冰，到送飞机上天的发动机；从高铁车轮，到锂离子电池……散裂中子源就像一台“超级显微镜”，能将这些物质的微观结构看得清清楚楚，从而将性能研究得明明白白。

简单理解，对于科学家来说，通过散裂中子源这个“超级显微镜”既能研究材料中原子们“在哪里”，还能发现它们在“干什么”。国家一些“卡脖子”的项目，没法拿到国外的装置上去研究，只能通过自主掌握的散裂中子源进行。对于普通人来说，它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

能找到铆接A380机翼最优工艺

中子散射引发的技术改进，有助于预防机翼断裂、管道严重腐蚀等。陈和生举例说，空客A380机翼的铆接工艺，就是依托散裂中子源来进行各种铆接方法的试验，从而得出最优化的工艺。用散裂中子源，还可以研究高铁的车轮、飞机发动机的叶片等大型金属部件的残余应力，“这对于提高高铁关键部件和航空发动机部件的性能，以及核电站部件的服役性能十分重要”，是提高性能、保证安全的关键所在。

工程师想知道某个部件何时可能发生损坏，及能否用其他材料和工艺生产出寿命更长的部件，中子散射结果将能帮助找到答案。

可探查被厚厚包裹的可燃冰

此外，可燃冰、磁性材料的研究，以及化学反应催化剂研究等，都可以使用散裂中子源。

像装在厚厚的高压容器内的可燃冰，普通的X光等手段拿它没办法，而穿透力强的散裂中子就能派上用场。此外，散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件，其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

了解蛋白质的工作原理是解开生命之谜的金钥匙，DNA分子决定了蛋白质的合成，中子散射可获得DNA的形状和结构，广泛用于医疗方面，如医治癌症或艾滋病之类的重症。

目前，中子散射技术在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法替代的作用。散裂中子源与同步辐射光源互为补充，已经成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。同时，中子散射技术在磁性凝聚态物理、纳米材料、高强度高性能塑料、蛋白质和生物、高温超导机理、同位素辨识、工业无损深度探伤、污染及废料处理等领域得到了广泛应用。

本组稿件据新华社、科技日报、南方日报