中国散裂中子源的前缘今生
撰文 | 中国科学报 倪思洁
中国散裂中子源航拍图
“经过六年半的建设，中国散裂中子源正式通过国家验收。”8月23日，位于东莞的中国散裂中子源传来好消息。
这是我国第一台、世界第四台散裂中子源装置。“六年半”只是这座“中子工厂”从奠基到启用的时长。它走过的路，远不只这些；它的步伐，也绝不会停留于此。
奠基前的十年筹谋
2010年的一段时间，东莞大朗镇水平村一片偏僻冷清的荔枝林里，经常出现一辆拉鱼车。这辆车每天晚上负责拉鱼，白天则拉着几位长相斯文、学者模样的人走进荔枝林。
荔枝林附近仅有的几户人家听说，这里将建成一个园子，但他们不知道，这座园区意味着什么。
建设中国散裂中子源的建议，起源于上世纪九十年代末期关于中国高能物理发展战略的研究。中国科学院高能物理研究所和中国原子能研究院的老科学家指出了建设散裂中子源对国家科技发展的必要性。目前可以找到的最早明确提出建设散裂中子源的书面报告，是1999年2月高能物理所的发展战略。
1999年9月，高能物理所与原子能科学院向科技部提交建设散裂中子源的建议。2000年8月两家单位正式提出国家重大科学工程项目建议书——“多用途中子科学装置脉冲强中子源”。
正如医院里的X光能拍出人体内部结构一样，中子源可以为物质微观结构拍片。中子不带电，当中子束打到被研究的样品上，大多数中子会不受任何阻碍穿过样品，但有些中子会与研究对象的原子核相互作用，并向四周“散射”，通过测量中子散射的轨迹及其能量、动量变化，就可以精确地反推出物质的结构。
不同的是，中子不易获得。正常状态下，中子被原子核紧紧束缚着，自然界中的自由中子，寿命最多只有15分钟，且不易收集。于是，科学家想到，要建个“中子工厂”，源源不断地产生中子。
由于造价高、技术复杂等原因，当时世界上只有英国、美国、日本拥有散裂中子源。
“散裂中子源可以为物质科学、生命科学、新能源等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，对探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术、解决‘卡脖子’问题具有重要意义。”中国散裂中子源工程总指挥、工程经理陈和生说。
在中科院的支持下，前期研究开始。之后，“中国散裂中子源”又被写入国家“十一五”大科学装置建设计划。中科院高能物理所、物理所的科学家开始设计和预制研究，并着手为散裂中子源选址。
“前期工作条件非常艰苦，几位老同志频繁上山考察选址，因为经费限制，租了辆拉鱼车每天在工地上穿梭，大家下班后身上都有一股鱼腥味。”陈和生回忆。
就在拉鱼车频繁上山后的一年，荔枝林里平整出了一块约402亩的山地。2011年10月，总投资23亿元的中国散裂中子源装置奠基。
工程建设跑出“中国速度”
在“中子工厂”里，中子是这样产生的：先通过高频电磁场把质子加速到大约0.9倍光速，然后将质子束作为“子弹”轰击重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子后，科学家再通过特殊的装置把中子收集起来。
中国散裂中子源园区地下18米左右的地方，盘踞着总长600多米的隧道。这条隧道里有一台80兆电子伏特的负氢离子直线加速器和一台16亿电子伏特快循环质子同步加速器。
这些庞大的设备容不得丝毫误差。至今，中国散裂中子源工程副经理、加速器技术部主任傅世年还记得，加速器真空腔体的安装过程有多“磨人”。
真空腔体有156个部件，安装误差不能超过30微米，刚开始，工程团队24小时两班倒，火力全开，经过半个月，好不容易装到第6个部件，工程人员突然发现，如果延长标准检测时间，有可能会发生漏气现象。于是，尽管前面的部件安装已经达到了检测标准，他们还是决定推倒重装。
“不能放走一个可能出现的问题，只有确定没问题，心里才能踏踏实实的。”傅世年说。
更“磨人”的是2014年加速器隧道土建发生的一次意外。这年4月，连续几天的大暴雨让直线加速器隧道严重渗水。要彻底解决渗水问题，必须在直线加速器隧道外再建造一层防水隧道。这让土建工期延误了一年多，设备安装进度也相应延误。
意外发生后，工程经理部决定，向国家承诺的工程竣工日期“后墙不倒”，立即开始将散裂中子源通用设备的安装与土建工程交叉并行施工，先在地面大厅安装调试原定在隧道里安装测试老练的设备，待隧道完工后，再移到隧道重新安装。这大大增加了安装和调试的工作量和难度。
经过几百个日夜，工程团队赶回了工期。“连大年夜我们都是在隧道里度过的。”回忆起那段日子，傅世年的语气中满是自豪。
2017年底，散裂中子源国际顾问委员会年度会议上，外国专家感叹散裂中子源工程建设的“中国速度”：“难以想象你们在短短的一年完成了如此大量的工作。”
技术创新打造“中国方案”
工程是挑战，技术也是挑战。
快循环同步加速器遇到了新的技术难题。“当时，我国还没有研制过快循环同步加速器的25赫兹交流磁铁。我们向美国、日本研究所的专家请教，但他们只懂科学设计，关键技术掌握在国外大公司手中，不能告诉我们。”傅世年说。
于是，科研人员与工厂技师咬紧牙关、联合攻关，经过无数次失败后，终于研制出合格的磁铁。研发团队还提出了谐振电源的谐波补偿方法，解决了多台磁铁之间的磁场同步问题，其效果优于日本散裂中子源。
不仅如此，陈和生介绍，散裂中子源的“眼睛”——中子探测器的核心技术也曾由外国掌握，经过攻关，科研人员研发出拥有自主知识产权的探测器，各项性能达到国际一流水平。
同样遇到技术挑战的还有靶站。“中子工厂”生产中子的关键在于“打靶”，靶打得好不好直接决定了工厂的生产效率和质量。“当时，这样的靶站设计在国内几乎是‘零经验’。”中国散裂中子源实验分总体副主任梁天骄告诉《中国科学报》记者。
从2004年梁天骄加入这个团队后，他亲历了靶站设计方案的四次大调整。直到2010年，靶站的物理设计方案基本确定，最终采用扁平包钽钨片靶，提高有效中子产生效率。
2017年8月28日10点56分18秒，中国散裂中子源成功打靶并输出了第一束中子，中国人从此拥有了自己的散裂中子源。
如今，中国散裂中子源顺利通过国家验收，但他们并没有打算停下来。“中国散裂中子源将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，扩大用户群体。”陈和生说。
他们计划提升中子生产能力、完善样品环境、培养更多用户、建设更多谱仪……在他们心中，中国散裂中子源才刚刚迈出第一步。
《中国科学报》 (2018-08-29 第1版 要闻)
