大灣區(qū)、大裝置、大未來。10月26日，在香港舉行的南方先進(jìn)光源指導(dǎo)委員會(huì)第三次會(huì)議上，散裂中子源科學(xué)中心與港澳地區(qū)8所高校，以及粵港澳大灣區(qū)院士聯(lián)盟和京港學(xué)術(shù)交流中心兩個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，分別簽訂合作協(xié)議，推進(jìn)合作建設(shè)粵港澳大灣區(qū)首臺(tái)同步輻射光源——南方先進(jìn)光源。而就在不久前，被稱為人類最快“閃光燈”的先進(jìn)阿秒激光設(shè)施獲得國家發(fā)改委概算批復(fù)，即將在東莞松山湖科學(xué)城開工建設(shè)。

東莞松山湖。

巍峨山下，包括目前已進(jìn)入二期項(xiàng)目建設(shè)階段的中國散裂中子源在內(nèi)，松山湖科學(xué)城世界級(jí)大科學(xué)裝置集群正加速成型，將在推動(dòng)前沿科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新方面顯現(xiàn)出巨大作用，為大灣區(qū)綜合性國家科學(xué)中心及粵港澳大灣區(qū)國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)提供了重要支撐。

“超級(jí)顯微鏡”成果豐碩

走進(jìn)位于東莞松山湖科學(xué)城的中國散裂中子源靶站大廳，一處實(shí)驗(yàn)操作間內(nèi)，一幕科技與傳統(tǒng)交融的場景映入眼簾?？蒲腥藛T正聚精會(huì)神地操作著電腦，細(xì)致分析著由能量分辨中子成像譜儀傳輸回來的數(shù)據(jù)和圖像。屏幕上，一件考古文物以3D模型的形式緩緩旋轉(zhuǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在中子成像技術(shù)的審視下逐漸顯露無遺。

中國散裂中子源靶站大廳。

就在去年，中國散裂中子源的能量分辨中子成像譜儀成功出束，標(biāo)志著我國擁有了首臺(tái)集高分辨成像與衍射功能于一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

“中子成像技術(shù)對(duì)于文化遺產(chǎn)的無損檢測，堪稱一項(xiàng)革命性的突破?！?/strong>中國散裂中子源成像譜儀助理研究員楊陸峰介紹，該技術(shù)不僅能夠深入洞察珍貴文物內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還能揭示文物歷經(jīng)數(shù)百年乃至數(shù)千年歲月侵蝕后所形成的銹蝕與腐化機(jī)制，從而為文物研究與保護(hù)工作提供科學(xué)支撐。

中國散裂中子源是首個(gè)落地粵港澳大灣區(qū)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是我國首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖式散裂中子源。

用中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生的話說，散裂中子源就像一種“超級(jí)顯微鏡”，通過高能粒子撞擊重金屬靶體，“散裂”出大量中子，再利用中子作為“探針”，研究物質(zhì)材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。

中國散裂中子源向全世界研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家開放，自2018年投入運(yùn)行以來，用戶申請(qǐng)便迅速增加，機(jī)時(shí)供不應(yīng)求。截至目前，中國散裂中子源的累計(jì)注冊(cè)用戶達(dá)7117人，其中1/3來自粵港澳大灣區(qū)，已完成1700多項(xiàng)用戶實(shí)驗(yàn)課題，在航空航天、高鐵船舶、新能源、磁性量子材料、高性能合金、高分子、信息材料等重點(diǎn)領(lǐng)域，取得了一批重要科學(xué)成果。

中國散裂中子源。

面向前沿科技和高新產(chǎn)業(yè)，特別是國家重大戰(zhàn)略需求，中國散裂中子源是先進(jìn)且不可替代的研究平臺(tái)。

在航空航天領(lǐng)域，大氣中子譜儀以10億倍加速模擬中子輻照環(huán)境，為解決電子元器件在大氣層內(nèi)和地面的失效問題提供重要手段，為飛機(jī)適航論證和航空器安全提供研究平臺(tái)；在交通領(lǐng)域，工程材料衍射譜儀對(duì)國產(chǎn)高鐵車輪進(jìn)行內(nèi)部深層殘余應(yīng)力測量，給出了高鐵車輪完整的應(yīng)力數(shù)據(jù)，對(duì)高鐵安全性和性能提速具有重要意義；在鋰離子電池領(lǐng)域，科研人員利用通用粉末衍射和多物理譜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)原位測量，研究汽車鋰電池的結(jié)構(gòu)特征和鋰離子在充放電循環(huán)過程中的輸運(yùn)行為，對(duì)鋰電池性能提升和新型電池研發(fā)提供重要技術(shù)支撐。

“來自高校、科研單位和產(chǎn)業(yè)界的用戶，以及一些重大的國家重大項(xiàng)目，對(duì)散裂中子源都非常迫切的需求，很多關(guān)鍵問題只能在散裂中子源上進(jìn)行研究?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所研究員李曉表示，在中國散裂中子源二期項(xiàng)目啟動(dòng)之前，就已經(jīng)開展了8臺(tái)合作譜儀的建設(shè)，旨在滿足用戶的迫切需求。目前8臺(tái)合作譜儀已全部完成建設(shè)，將于近期開放運(yùn)行。

國之重器“升級(jí)、上新”

“大科學(xué)裝置建設(shè)經(jīng)費(fèi)高昂、規(guī)模龐大，且高度依賴專業(yè)人才，因此多以集群形式存在?！崩顣员硎?，松山湖大科學(xué)裝置也正朝此方向發(fā)展，力求在未來科研領(lǐng)域占有一席之地。

今年1月，中國散裂中子源二期工程在東莞松山湖科學(xué)城啟動(dòng)建設(shè)。作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，項(xiàng)目主要建設(shè)11臺(tái)中子譜儀和實(shí)驗(yàn)終端，建成后中子譜儀數(shù)量將增加到20臺(tái)，并新增國內(nèi)首臺(tái)繆子實(shí)驗(yàn)終端和高能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)終端。

松山湖材料實(shí)驗(yàn)室。

據(jù)中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、中國散裂中子源二期工程總指揮王生介紹，二期工程建設(shè)周期為5年9個(gè)月，預(yù)計(jì)將于2029年竣工。建成后，加速器打靶束流功率，從一期的100千瓦設(shè)計(jì)指標(biāo)提高到500千瓦，意味著在同等時(shí)間內(nèi)能產(chǎn)生更多中子，不僅能有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，還能使實(shí)驗(yàn)分辨率更高，能夠測量更小的樣品、捕捉更快的動(dòng)態(tài)過程。“屆時(shí)，中國散裂中子源的研究能力將基本覆蓋中子散射所有應(yīng)用領(lǐng)域?！?/strong>王生說。

毗鄰中國散裂中子源，剛剛獲批建設(shè)的先進(jìn)阿秒激光設(shè)施，將為松山湖科學(xué)城大科學(xué)裝置集群建設(shè)重磅加碼。

“阿秒”是一個(gè)極為短暫的時(shí)間單位，是一秒鐘的百億億分之一，可用于觀測電子運(yùn)動(dòng)，是電子動(dòng)力學(xué)研究的重要工具，為研究物理、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科中的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題提供了嶄新的技術(shù)手段。2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，就頒發(fā)給了阿秒激光領(lǐng)域的科學(xué)家。

中國科學(xué)院院士、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室主任汪衛(wèi)華透露，中國科學(xué)院物理研究所作為該裝置建設(shè)法人單位，攜松山湖材料實(shí)驗(yàn)室，在松山湖建設(shè)國內(nèi)首個(gè)先進(jìn)阿秒激光設(shè)施，其中6條束線及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將落地東莞。

先進(jìn)阿秒激光設(shè)施建設(shè)示意圖。

該設(shè)施建成后，將成為亞洲首個(gè)、世界第二個(gè)阿秒激光大科學(xué)裝置。

為建設(shè)管理運(yùn)行好先進(jìn)阿秒激光設(shè)施，中國科學(xué)院物理研究所已聯(lián)合松山湖材料實(shí)驗(yàn)室成立了阿秒科學(xué)中心，聚集了一大批國內(nèi)外優(yōu)秀的研究人員和工程技術(shù)人員，希望依托先進(jìn)阿秒激光設(shè)施建成一個(gè)超快物質(zhì)科學(xué)的國際化研究中心，協(xié)同中國散裂中子源等大科學(xué)裝置，在能源材料、信息材料以及基礎(chǔ)物理等領(lǐng)域做出國際一流的成績。

“最佳拍檔”呼之欲出

在北京懷柔，大科學(xué)裝置——高能同步輻射光源（HEPS）正在緊鑼密鼓地建設(shè)中，預(yù)計(jì)今年內(nèi)將發(fā)射“第一束光”。

而在松山湖科學(xué)城，南方先進(jìn)光源也正積極籌劃建設(shè)，未來將成為中國散裂中子源的“最佳拍檔”。

中國散裂中子源和南方先進(jìn)光源分別以中子和X射線為探針，觀察物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)。中子不帶電，穿透性強(qiáng)，具有磁矩，與原子核發(fā)生相互作用，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素。X射線與原子核外電子發(fā)生相互作用，具有連續(xù)光譜、高強(qiáng)度、高度準(zhǔn)直、高度極化、特性可精確控制的特點(diǎn)。從世界范圍看，把散裂中子源和同步輻射光源放在一起是國際上已經(jīng)被證實(shí)的最佳組合，不僅可以提供更為豐富和完備的研究手段，在支撐高新產(chǎn)業(yè)發(fā)展、吸引尖端人才、促進(jìn)學(xué)術(shù)交流合作等方面能發(fā)揮巨大的綜合效應(yīng)。

“大灣區(qū)有大量研究工作需要借助同步輻射光源，迫切需要建設(shè)一個(gè)同步輻射光源裝置?！?/strong>王生進(jìn)一步介紹，目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已完成技術(shù)指標(biāo)國際領(lǐng)先的第四代衍射極限同步輻射光源的物理方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化，開展了一批關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研工作，并取得了重要的階段性成果。此外，通過前期廣泛的用戶調(diào)研，特別是考慮到粵港澳大灣區(qū)未來科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，首批規(guī)劃建設(shè)10條光束線站，與中國散裂中子源聯(lián)合，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)支撐能力。

東莞松山湖。

為推動(dòng)項(xiàng)目前期準(zhǔn)備工作，由國內(nèi)代表性用戶及同步輻射研究領(lǐng)域的專家組成的南方先進(jìn)光源指導(dǎo)委員會(huì)，已多次召開用戶會(huì)議，持續(xù)加快推進(jìn)該項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)程。

“與懷柔的高能同步輻射光源不同，南方先進(jìn)光源定位于中能區(qū)，這類光源裝置在國際上數(shù)量最多，支撐領(lǐng)域也更為廣泛?！崩顣越榻B道，憑借一系列物理和技術(shù)上的創(chuàng)新，南方先進(jìn)光源的設(shè)計(jì)指標(biāo)在全球同類裝置中已躋身前列，設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

目前，南方先進(jìn)光源項(xiàng)目已完成物理方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研進(jìn)展順利。“無論是物理方案、關(guān)鍵技術(shù)，還是人才隊(duì)伍等各方面的保障，都已做好充分準(zhǔn)備?！崩顣员硎?。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用也已經(jīng)在同步推進(jìn)，“我們已與多家粵港澳大灣區(qū)頭部企業(yè)達(dá)成合作協(xié)議，并期待能進(jìn)一步深化合作?！崩顣员硎?。

巍峨山下，世界級(jí)大裝置集群正在崛起。

“如果南方先進(jìn)光源順利獲批立項(xiàng)，與中國散裂中子源、阿秒激光裝置共同形成集群效應(yīng)，這里無疑將成為全球頂尖的物質(zhì)科學(xué)研究中心之一?！?/strong>李曉指出，對(duì)于大科學(xué)裝置的規(guī)劃而言，采取“建設(shè)一代、規(guī)劃一代”的策略是常態(tài)，松山湖科學(xué)城大裝置集群具備顯著的后發(fā)優(yōu)勢。從大科學(xué)裝置的科學(xué)壽命來看，松山湖科學(xué)城有望在物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域保持30年的領(lǐng)先地位。

為新能源企業(yè)把脈

中國散裂中子源助力鋰電池研究

隨著新能源車的普及，鋰電池作為新能源產(chǎn)業(yè)的核心部件，其性能與安全性備受關(guān)注。然而，如何高效且無損地檢測鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其材料反應(yīng)，成為行業(yè)共同面臨的挑戰(zhàn)。

中子，這一微小而充滿力量的粒子，以其獨(dú)特的穿透能力，為解決這一難題提供了新的思路。

依托中國散裂中子源，在新能源汽車領(lǐng)域，通過原位觀察鋰電池的充放電過程，人們首次發(fā)現(xiàn)了電池在充放電過程碳鋰化合物的一種不均勻現(xiàn)象，顛覆了業(yè)內(nèi)對(duì)此的認(rèn)識(shí)，為鋰電池的性能改進(jìn)和提升開拓了新視野。

中國散裂中子源科研人員演示用能量分辨中子成像譜儀進(jìn)行電池檢測。

針對(duì)電動(dòng)汽車電池體積龐大且內(nèi)部反應(yīng)不均勻的特點(diǎn)，中國散裂中子源的能量分辨中子成像譜儀（ERNI）發(fā)揮關(guān)鍵作用。它能夠精確測量電池在不同循環(huán)壽命、反應(yīng)階段及服役周期下的不均勻性反應(yīng)程度，為企業(yè)提供詳盡的數(shù)據(jù)支持，助力電池性能優(yōu)化。

“在新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，特別是粵港澳大灣區(qū)，中國散裂中子源憑借精確且高效的無損檢測技術(shù)，在鋰電池研究方面展現(xiàn)出極高的應(yīng)用價(jià)值。”李曉表示。

去年1月，位于東莞松山湖科學(xué)城的中國散裂中子源能量分辨中子成像譜儀成功出束，標(biāo)志著我國擁有了首臺(tái)集高分辨成像與衍射功能于一體的中子成像譜儀。ERNI不僅具有深穿透、輕元素靈敏等獨(dú)特的優(yōu)勢，還能與X射線成像互補(bǔ)，共同為科研和工業(yè)生產(chǎn)提供更為全面、精準(zhǔn)的檢測手段。

楊陸峰表示，目前，中國散裂中子源已經(jīng)與全國多家電池類企業(yè)達(dá)成合作協(xié)議，在電動(dòng)汽車鋰電池等大型產(chǎn)品的研發(fā)與制造方面取得顯著成果。

未來，ERNI將服務(wù)于國家發(fā)展戰(zhàn)略需求和粵港澳大灣區(qū)的科技發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級(jí)，在新能源、新材料、高端裝備制造等領(lǐng)域的材料和機(jī)器/部件的研發(fā)與設(shè)計(jì)、加工制造、運(yùn)行與服役性能評(píng)價(jià)等研究與應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，同時(shí)將應(yīng)用于文化遺產(chǎn)和考古、植物生理學(xué)、地質(zhì)、深海等特色研究領(lǐng)域。

◆編輯：龍慧◆二審：陳吉春◆三審：周亞平