「超級顯微鏡」：上天入地下海的國之重器

▲ 位於地下17米深處的散裂中子源直線加速器。

本報記者 鄭 楊攝

CSNS工程的靶站譜儀大廳。

本報記者 鄭 楊攝

位於地下17米深處的散裂中子源環形加速器。 本報記者 鄭 楊攝

8月28日上午10時，位於廣東東莞的散裂中子源（CSNS）靶站譜儀控制室內，科研人員凝視著屏幕，緊張待命。只見工程總指揮兼工程經理陳和生院士一聲指令，從加速器引出的質子束流首次打向金屬鎢靶，順利獲得中子束流。在場的工程人員激動地見證了這歷史性的一刻——散裂中子源首次打靶成功！有了自己的散裂中子源

被譽為「超級顯微鏡」的散裂中子源是了解微觀世界的利器，原本僅英國、美國和日本三國擁有此設備。CSNS作為「十二五」期間建設的最大規模大科學裝置，將成為發展家的第一台散裂中子源，躋身世界4大脈衝散裂中子源行列， 為高水平的科研成果提供有力支撐，並為解決國家可持續發展和國家安全戰略需求的許多瓶頸問題提供先進平台。

這個擁有「火眼金睛」的國之重器究竟長什麼樣？又將發揮怎樣的作用？9月1日，《經濟日報》記者來到CSNS園區一探究竟。

小中子，大裝置

國產化率超96%

深入地下17米深處的CSNS加速器隧道，記者得以窺見這個即將封閉進入試運行的「龐然大物」——它包括1台8千萬電子伏特的負氫離子直線加速器、1台16億電子伏特的快循環質子同步加速器、2條束流運輸線、1個靶站、首批建設的3台譜儀等。

那麼，CSNS何以成為了解微觀世界的「超級顯微鏡」？這要從微小而神奇的中子說起。

眾所周知，X射線能拍攝人體的醫學影像。而在材料學、化學、生命科學、醫藥等領域，科學家們也希望有一種工具，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結構。中子散射技術就是這樣一種強有力的工具，能研究諸如DNA、蛋白質、飛機材料等的內部結構。

科學院院士陳和生告訴記者，中子的發現及應用是20世紀最重要的科技成就之一。由於中子不帶電、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，並具有非破壞性，這使得中子散射成為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一。

「當中子入射到樣品上，與其原子核或磁矩發生相互作用，產生散射，就可以通過測量散射的中子能量和動量的變化，研究各種物質的微觀結構和運動規律。」陳和生院士解釋，「做一個形象的比喻，假設面前有一張看不見的網，我們不斷扔出很多玻璃彈珠，有的穿網而過，有的打在網上，彈向不同角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來，就能大致推測出網的形狀；如果彈珠發得夠多、夠密、夠強，就能把這張網精確地描繪出來，甚至推斷其材質」。

雖然中子如此微小，但產生強中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高、精、尖設備組成的整體。世界上正在運行的脈衝式散裂中子源主要有英國的 ISIS、美國的SNS和日本的J-PARC，的CSNS是全球第四台。

「CSNS的建設攻克了許多關鍵核心技術難題，設備國產化率超過96%。許多設備的研製達到國內外先進水平。」陳和生院士自豪地介紹。

如此高的國產化率是如何實現的？工程副總經理傅世年分享了設備研發中不為人知的故事，「拿加速器技術來說，與國內外大多數加速器不同，CSNS快循環同步加速器上的主磁鐵真空室不能採用金屬材料，必須採用陶瓷。這種大尺寸陶瓷真空室技術要求特殊，國外公司要價極高。經費有限，我們決心自己研製。科技人員同時與多個廠家合作，幾年間反覆多次研製，終於研發出滿足設計要求的樣機，得知消息后，國外公司立刻大幅降低了報價」。

天上地下顯身手

5年內或開啟腫瘤治療新時代

歷經10年建設，CSNS即將完工，很快開啟了產業化探索的第一步。

8月11日，中科院高能物理研究所與東陽光集團簽署合作協議，雙方將利用散裂中子源開展硼中子俘獲療法（BNCT）項目，有望在未來5年內開啟國內腫瘤治療新時代。「BNCT是一種利用中子射線治療腫瘤的技術，能有效殺死癌細胞而不損傷周邊組織，具有安全性高、定位精確、價格相對低廉等特點。」東陽光集團董事長張中能說。

神奇中子是如何定向「引爆」癌細胞的？東陽光研究總院院長唐新發介紹，首先，給癌症患者注射一種含硼的無毒藥物。由於硼與癌細胞有很強的親和力，會迅速「潛伏」於癌細胞內。此時，利用加速器產生的中子束照射腫瘤部位，中子就會被癌細胞內的硼所俘獲，並在癌細胞內釋放出殺傷力極強的射線。這種射線射程很短，只有一個細胞的長度，所以它只殺死癌細胞，而周圍的正常組織則不會受損。

中科院高能所所長王貽芳院士透露，高能所將充分利用散裂中子源這一研發平台，結合東陽光集團的腫瘤葯研究能力，計劃完成首座商業化BNCT治療中心建設。

事實上，散裂中子源可以大顯身手的地方遠不止生命科學領域。作為多學科研究的新平台，它在材料科學、化工、資源環境、新能源等諸多領域都具有廣泛應用前景，可謂能上天入地下海。

為此，陳和生院士舉了許多例子。「1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，造成慘重傷亡。最後查出事故元兇竟然是老化的車輪。而找出原因的，就是英國的散裂中子源。」陳和生告訴記者，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪機翼裡面都有應力，它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應力看不到、摸不著，對它的研究成了避免類似災難發生的關鍵。現在，科學家已經可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩餘應力，優化加工工藝，讓高鐵和飛機更為安全舒適。

「又如，在海底可燃冰的開採中，如果出現泄漏，後果不堪設想。散裂中子源可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其成果將為安全、高效開採利用可燃冰提供科學依據。」陳和生說。

將建中子科學城

引領粵港澳大灣區產業升級

散裂中子源，有著世界其他3大散裂中子源所不具備的優勢——與製造業緊密結合。

CSNS所在地廣東東莞——地處珠三角核心區域，擁有國家高新技術企業2028家，以科技創新引領產業轉型升級態勢明顯。「我們期待將國家大科學工程的強大科技輻射力與珠三角地區強勁的經濟實力結合起來，為粵港澳大灣區科技發展和產業升級作出重大貢獻。」陳和生說。

東莞市副市長黃慶輝透露，依託散裂中子源，東莞市正規劃建設總面積約45.7平方公里的中子科學城。

中子科學城所在區域是廣深科技創新走廊的重要戰略節點。目前，該區域已集聚了一批具有國際影響力和國際化視野的高端創新要素，包括CSNS、華為終端總部等科研創新機構和國際化企業。區域內還將集聚大量高素質人才，僅華為終端項目就將進駐3萬研發人員。CSNS建成后，將吸引全國乃至全世界的頂尖研究人員前來科學實驗和產業化應用，高峰時，約600名科學家可以同時開展研究。

如何將製造業優勢與散裂中子源的科技成果轉換相結合，形成相關產業的集聚發展，是東莞目前探索的方向。

黃慶輝介紹，CSNS落戶后，帶動了國內特別是大珠三角地區，中子散射相關科技和工業應用的迅速發展，合作單位包括中山大學、華南理工大學、工業和信息化部電子第五研究所、中科院深圳先進技術研究院等。根據廣東省統一部署，先進高端材料廣東省實驗室也將落戶東莞，依託散裂中子源推動材料科技發展。接下來，該實驗室將由華南理工大學、散裂中子源雙方牽頭，省市共建，整合中科院高能所、廣東省科學院等科研資源，形成「前沿研究、應用研究、產業技術研究、產業轉化」全鏈條研究模式，建成具有國際影響力的創新高地。