陈和生:探索微观世界的“火眼金睛”
作者简介:
陈和生,中国科学院院士,现任国家重大科技基础设施散裂中子源工程指挥部总指挥、北京正负电子对撞机国家实验室主任、中国科学院高能物理研究所研究员。长期从事粒子物理实验研究,主持了重大科技基础设施北京正负电子对撞机重大改造工程。曾荣获国家科技进步一等奖、二等奖,第一届全国创新争先奖,中国科学院杰出科技成就奖等。看透物质结构的“火眼金睛”——中子
中国散裂中子源“初露锋芒”
近年来,我国建成的上海光源、散裂中子源等大科学装置,在提高自主创新能力方面发挥了重要作用,大大缩小了与发达国家的差距。与此同时,围绕这些大科学装置建成的科学与技术中心,也具有特殊的辐射、示范、引领作用,逐渐构筑起了重要的创新“高地”。但是,打造大科学装置与制造一般的科研仪器设施不同,需要在建设中研制大量的非标准设备,而且规模大、建设周期长、投资巨大,需要汇集大批科学家和工程师,因此,会遇到工程建设与科学研究的双重挑战。
散裂中子源由三大部分构成,包括加速器、重金属的靶、谱仪,所谓谱仪就是实验终端。中国散裂中子源,它的加速器包括两部分,一部分是8000万电子伏特的质子直线加速器,注入到快循环同步加速器,跑两万多圈,把它加速到16亿电子伏特,能量提高20倍。然后就去打靶,是一个钨靶,用水冷的钨靶,效率非常高,能够产生非常强又非常短的中子。我们在靶站的周围,建设很多谱仪,把样品放在谱仪的中间,用探测器把它包起来,这样就能够知道,中子打上去以后,发生了什么情况。这个样品就像一张渔网,我们往渔网上扔好多玻璃球,有的球就穿过渔网的间隙走了,有的碰到渔网的结点,它改变了方向。把所有的这些玻璃球的信息都测量出来,经过数学方法,就可以反推出来这张网的结构,这就是中子散射的研究方法。
2017年8月28日,我们首次打靶成功,获得了中子束流,而且中子的能谱,完全符合理论的计算,一次打靶成功,调试的进度,远远超过国际上其他散裂中子源。特别可喜的是,我们设备的国产化率超过了90%,美国、日本的散裂中子源,都花费十几亿美元,我们只用了18亿元人民币。2018年8月通过了国家验收,被给予非常高的评价:装置的整体设计科学合理,靶站的最高中子效率和三个谱仪性能达到国际先进水平,显著地提升了我国在这个领域当中的技术水平和创新能力,使得我们国家在强流质子加速器和中子散射领域实现重大跨越,技术和综合性能进入国际同类装置的先进行列。
“国之重器”前途无量
作为一个用户装置,要求稳定高效运行。从2017年以来,我们的打靶功率是节节提升,成功地达到了设计功率100千瓦的指标,始终做到稳定运行。目前注册的用户超过了2000人,其中来自粤港澳大湾区的有四分之一,还包括港澳用户55人,国外用户42人,完成了课题400多项,其中企业课题达到13%以上。在前沿科学研究和国家发展的一些关键领域,我们已经发表了文章65篇。
新型的能源材料是我们工作的重点。因为新能源的材料,比如储氢材料、锂电池材料,还有燃料电池的核心就是氢、锂和氧,而这三种元素都对中子研究非常有利,又很关键。比如锂电池的研究,只有用中子才能够搞清楚锂电池的锂在什么地方,它怎么运动,我们过去这两年多的工作,锂电池的研究是一个重点,获得了很多成果。
散裂中子源研究所产生出来的新技术,还有一项是硼中子靶向治癌。硼中子靶向治癌,是一种新的精准治疗癌症的二维技术,它是利用中国散裂中子源发展起来的技术所研制的。这种治疗方法,相信会开辟癌症放射治疗一个新的篇章。它最大的优点,就是能够治疗那些弥散的,甚至扩散的癌。我们正在进行动物实验,一年以后将要开展临床试验,完成了临床试验以后,就可以进行临床治疗。这种技术需要的靶向药物,也是目前研究的热点,希望国内做药、研究硼化学的相关人士一起努力,找到效果更好的靶向药物,为人民健康服务。
中国散裂中子源现在还不能满足国内的需求,因为国内的用户增长非常迅速。2018年全世界发表的关于中子散射的文章,13%以上都有中国单位署名。现在我们的束流时间供不应求,2021年春天申请用户的数目是2020年春天的两倍,所以国家发展改革委已经批准了在“十四五”期间,进行散裂中子源的二期工程。二期工程将增建11台谱仪,这样就覆盖了用户的各个领域,同时把束流的功率,从现在的100千瓦提高到500千瓦,总投资30亿元。
由于大科学装置的社会影响和辐射效应,现在国内兴建大科学装置的热情迅速提高,但是盲目上马、低水平重复,会带来很多问题。我们国家现在大科学装置的数量和种类,和发达国家已经比较相近了,但是我们装置的实验终端,它的数量和水平、研究工作的水平、科学产出,和发达国家相比差距比较大。我们最紧迫的不是说各个省市动员大家都去上同步辐射、上散裂中子源,而是集中力量办大事,集中我们有限的财力物力、集中我们有限的队伍,把我们的大科学装置建好,真正让它达到国际先进水平。必须继续坚持国家统一规划和部署重大科技基础设施的原则,坚持以国家科学技术发展战略需求和用户需求为导向,这是保证我们国家大科学装置持续发展、健康发展的关键。
来源:学习时报、中国科学家
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