中科院与广东省共建散裂中子源

科学时报     作者:文/郑千里 刘英楠 李洁尉

   2007年2月13,全国人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥,广东省省长黄华华分别代表双方在广州签署合作备忘录,双方将共同向国家申请在广东省东莞市建设我国首台、世界一流的脉冲中子科学综合实验装置——中国散裂中子源(CSNS),届时还将共同建设广东东莞散裂中子源国家实验室,以确保中国在中子散射科学领域的先进地位。中国科学院常务副院长白春礼、秘书长李志刚等出席了签约仪式,仪式由广东省常务副省长钟阳胜主持。

    
在签约仪式上,白春礼首先介绍了中国散裂中子源项目的有关情况。路甬祥、黄华华分别讲话,并代表双方签署《中国科学院与广东省人民政府关于中国散裂中子源项目合作备忘录》。中国科学院高能物理研究所所长陈和生与东莞市市长李毓全签署《中国科学院高能物理研究所与东莞市人民政府共建东莞散裂中子源国家实验室协议书》。

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在广东省建设散裂中子源,对中国、乃至东南亚都具有重大的科学意义和战略意义。路甬祥在签约仪式上指出,广东省经济生产总值连续多年雄居全国之首,区域创新能力也位居全国前列,中科院作为国家科技方面的最高学术机构和最高咨询机构,已拥有、在建和将要建设的大科学装置占全国80%以上,但依托大科学装置的综合研究中心主要分布在北京、上海、合肥、兰州,双方合作建设散裂中子源大科学工程,必将优化我国大科学装置的地理分布格局,有效带动我国南方、港澳及东南亚的基础研究、应用研究和创新能力的可持续发展。

    
中国散裂中子源是我国十一五期间重点建设的大科学装置,目前已列入国家中长期科技发展规划,属于国际前沿的高科技多学科应用的大型研究平台。项目计划建设周期7年,建设经费由国家支持,广东省将提供建设用地、并提供匹配经费建设国家实验室和散裂中子源的配套设施。散裂中子源建成后,广东省将对它的运行和开放,以及院省合作提供匹配经费支持。

    
中国科学院基础科学局局长张杰院士介绍,中子和人们熟知的X射线一样,都是人类探索物质微观结构的有力手段,但中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,且有对样品的非破坏性的特点,不仅可探索物质静态微观结构,还能用来研究其动力学机制。在薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等热点前沿研究领域内,中子探测装置已成为科学家工具箱里尤其不可缺少的一大利器。

    
中国拥有4座高亮度高性能的X射线源,分别位于北京、安徽合肥、台湾新竹和上海(在建),但尚未有高性能的脉冲中子源。鉴于前述领域的高分辨中子散射测量迫切需要通量高、波段宽的中子源,建造一座高性能的脉冲中子源势在必行。

    
中国物理学家在反应堆中子散射研究及其相关领域的应用有比较深厚的基础。九十年中期,随着强流加速器技术的发展,散裂中子源成为国际中子散射科学研究的发展前沿之一。中国物理学家开始进行强流质子加速器技术的R&D,并研究包括散裂中子源在内的可能应用。

    2000
7月,路甬祥访问了英国卢瑟福实验室的散裂中子源后,委托数理学部成立院士专家咨询组,就我国发展散裂中子源的意义、必要性、可行性等有关问题进行咨询,使中国散裂中子源进入了实质性的推进阶段。咨询组经过一年多的研究与讨论,在四次研讨会的基础上,形成了关于我国发展散裂中子源的咨询意见。这一意见得到科学院领导的充分肯定和支持,并指示科学院着手酝酿建造我国自己的散裂中子源。2002年,由中科院物理所和高能物理所承担的散裂中子源概念研究启动。在中国科学院专项预研经费、国家自然科学基金、国家“973”项目支持下,通过中科院高能物理研究所和物理研究所近百名科技骨干的努力,中国散裂中子源项目总体设计方案不断优化,在国内外专家的多次论证、评审中得到一致肯定。在此基础上,20044月,国家发展和改革委员会召集科技部、教育部、国防科工委、中国科学院、中国工程院、国家自然科学基金委等部门专题研究了国家急需启动的重大科技基础设施建设的有关工作。20046月,国家发展和改革委员会委托中国科学院、中国工程院的院士对拟建设的散裂中子源等国家重大科技基础设施项目建议提出咨询意见,并最终确定了包括散裂中子源等9项设施向国家科教领导小组汇报。

    
中国散裂中子源由强流质子加速器,靶站和中子散射谱仪组成,在建造竣工后三年内应达到如下总体设计指标:打靶质子束流功率100千瓦,脉冲重复频率25赫兹,每脉冲质子数1.56×1013,质子束动能16亿电子伏特,最高脉冲中子通量2.0×1016每平方厘米每秒。它的脉冲中子通量设计指标超过目前世界正在运行的所有散裂中子源,首期建成5座中子散射谱仪,可为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合实验条件。

    
中国散裂中子源工程主要设计者之一韦杰表示,中国散裂中子源的设计充分吸取国外散裂中子源建设的经验,大量采用先进的加速器和探测器技术,依据中国的需要及国力确定了优化设计方案,关键技术设计合理:100千瓦的质子加速器及相关指标,是经济而留有升级余地的设计;25赫兹的脉冲重复频率,兼顾了多种学科对宽段波中子的不同需求和提高谱仪样品出口的有效中子通量;总体指标涵盖我国凝聚态物理、化学、材料等多学科领域应用的需要,同时兼顾生命科学、工业应用等领域研究的应用需求。

    
来自德国、英国、美国、日本的专家在对项目设计的评议结论中写道:从目前中国的用户需求、加速器、靶站和谱仪建设水平综合考虑,现有的……设计是一个聪明的选择!中国散裂中子源的建成,将使中国拥有世界一流的中子科学综合实验装置,以确保中国在中子科学领域内的先进地位。

    
根据中科院和广东省签署的合作协议,中国散裂中子源装置将建设在广东省东莞市。中国科学院高能物理研究所将在东莞市设立分部,为中国散裂中子源项目建设暨广东东莞散裂中子源国家实验室的法人单位,中国科学院物理研究所是项目的共建单位。

    
用户优先的原则,是中国散裂中子源建设的基本指导思想。中子散射用户广泛和深入的参与,是中国散裂中子源建设成功的保证。中国散裂中子源的专家论证、概念研究和前期预研,始终以用户的现实需要为出发点;中科院从2004年以来,先后举办三届散裂中子源用户研讨会,深入探讨中子散射的多学科应用、推广中子散射技术、培养潜在用户,进一步了解我国用户和潜在用户的需求。

    
根据国内用户调查,中国散裂中子源目前已确定的首批用户,包括中科院下属9个研究所的70多个研究组以及全国22所大学、中国原子能科学研究院等研究机构的30多个研究组。此外,在工程和工业的应用方面,我国凝聚态物理、化学、材料、生物科学、聚合物和软物质、地球科学、机械加工工业、核物理、质子成像和医学应用等领域内的众多科技人员,都是中国散裂中子源的潜在用户。随着后续广东东莞散裂中子源国家实验室的设立,中国散裂中子源将基于其多学科研究中心和广泛的用户群体,跟踪国际中子应用领域最新实验方法和成果,进行自主研发,创新超越,充分利用装置的高性能,为人类科学事业和社会进步做出贡献。

    
中科院高能物理研究所所长陈和生院士指出,散裂中子源和同步辐射光源等大科学研究装置是国家科技创新体系的要素,以它们为核心形成大型多学科交叉研究基地。欧美日等发达国家都投巨资建设这类大科学研究装置,成为了它们科技创新能力的标志。1984年小平同志高瞻远瞩,决定建造北京正负电子对撞机,不仅使中国的高能物理在世界占有了一席之地,并使北京同步辐射装置成为多学科交叉前沿研究的大型平台,而最重要的贡献是培养了一支专业齐全的高水平的大科学装置建设队伍,获得了大科学装置建设、运行和开放的宝贵经验,为包括中国散裂中子源在内的多项大科学装置建设奠定了基础。

    
散裂中子源作为大科学工程,其建设需要采用一系列高新技术。工程建设在充分吸取国外散裂中子源建设的技术和经验,广泛开展国际合作的同时,最大限度地在国内开发出项目建设所需高新技术,从而达到既节省项目经费、又提升国内相关产业技术水平的双赢局面。大科学装置的建造过程,也将直接孕育一大批应用技术的发展。

    
可以预见,中国散裂中子源的建成及运行,将在珠三角地区形成一个国际一流的大型综合科学研究基地,在推动我国相关领域的基础和应用研究发展的同时,将有力地推动珠三角地区的基础科学研究和应用研究、以及相关高技术的发展,培养大批科技人才,辐射到南方各省、全国以及东南亚地区,促进产业升级,产生巨大的社会效益和经济效益。

    
背景资料

   
大科学装置与散裂中子源

    
大科学装置包括两类,一类是面向单一学科的专用装置,例如高能物理领域的加速器、天文领域的望远镜、核聚变实验装置等;另一类是面向多学科的大型公用研究平台,主要包括同步辐射装置、散裂中子源等。其作为物质结构探测的利器互为补充、相得益彰:同步辐射,即高能电子加速器产生的高强度的X光,对电子结构和重原子敏感;散裂中子源则对原子核和轻原子敏感。

    
中子是构成物质的基本粒子,但要用它研究物理和生物材料,科学家发现它们的亮度总是不够。为此,科学家用高能质子等快速粒子轰击重原子核,使其中部分中子散裂出来,然后用中子束流瞄准样品,探测、计算得到散射中子的能量、散射角度及位置,进而得到固体位置、运动、特性等信息。据悉,中子散射可帮助科学家了解从液态晶体到超导陶瓷、从蛋白质到塑料、从金属到胶粒等各种物质特性的详细情况。

    
中子散射技术已成为当前研究物质微观结构及其动力学过程最重要的工具之一,在诸如凝聚态物理、化学、生物工程等领域被广泛采用。特别是随着科学技术的飞速发展,薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等研究体系成为研究的主要对象,这些物质结构单元更大、样品体积更小、结构形态变化更快,为满足这些科学与技术研究的需要,迫切需要建立散裂中子源这样的科学平台。目前中子散射技术已在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法取代的作用,成为科学研究和新材料研发中必不可少的工具。同时,中子散射在磁性凝聚态物理、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也得到了广泛应用。

    
利用中子,首先必须有中子源。散裂中子源是世界中子源的主流发展方向,它与核反应堆中子源相比具有许多独特性能:高脉冲通量,丰富的高能短波中子,优越的脉冲时间结构,低本底,且不使用核燃料,只产生极少量活化产物,等等。

    
近年来,随着强流加速器技术的发展,百千瓦到兆瓦级束流功率的散裂中子源成为国际公认的、新一代高通量、宽波段、高效安全的中子源。进入21世纪,美、日、欧等发达国家认识到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位,纷纷把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措:

    
在美国,总投资14亿美元、设计束流功率为1.4 兆瓦的散裂中子源(SNS)经过7年建设现开始调束,并于2006428日产生出第一束中子,其升级工程同时启动;

    
在日本,总投资约18亿美元的日本质子加速器研究联合装置(J-PARC)正在建设中,建设周期约8年。其快循环同步加速器将提供1兆瓦的质子束流用于驱动散裂中子源;

    
在英国,对已成功运行20余年的散裂中子源(ISIS)投资约3亿美元进行升级改造其质子加速器,并正在积极建设ISIS的第二靶站;

    
亚洲邻国韩国和印度,也正在积极筹建束流功率为百千瓦量级的散裂中子源:PEFPISNS

    
重大基础、前沿研究历来是产生诺贝尔奖的摇篮。自1895X射线被伦琴发现以来,因X射线及其应用领域中的研究而获得的诺贝尔物理学奖就有7项,化学奖有5项,医学奖有2项;X射线的相关应用,也已覆盖与人类生活息息相关的各个领域。中子散射方面,沙尔和布罗克豪斯因分别利用中子散射研究磁结晶学及晶格动力学,获得了1994年的诺贝尔物理学奖。

    
散裂中子源不仅面向世界科学前沿,有力地提升我国基础研究和高技术的水平,同时促进我国在能源、国防、工业等领域先进技术的发展。深海储存有大量甲烷等有机可燃小分子的水合物,即所谓可燃冰,是有待开发的一种新型能源。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。通过散裂中子源项目发展起来的强流质子加速器,可用于航天器件辐照效应的地面模拟试验研究。利用中子散射对工程材料和部件缺陷及应力的深度检测,可为工程部件确定可靠的使用期限,现在已经成为一种先进的无损检验方法。散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究。质子治疗是利用加速器提供的质子束流照射并最终杀死肿瘤细胞的一种先进治疗手段,已经在许多发达国家得到应用。

    
专家指出,中国散裂中子源是一台大型射线装置,但它产生的辐射的绝大部分是瞬发性的。散裂中子源产生的剩余产物活性低于反应堆中子源的1/1000。通过采取有效的防护措施和严格的安全联锁,可以确保装置在正常运行或设备故障期间,其对环境的影响完全控制在国家标准之内。在正常运行状况下,装置的科学寿命将超过30年。(摄影/郭拓飞)

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