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【经济日报】超级显微镜”:上天入地下海的国之重器
2017-09-11|文章来源:郑杨 |【
 

   

  位于地下17米深处的中国散裂中子源直线加速器。记者郑杨摄

   

  CSNS工程的靶站谱仪大厅。记者郑杨摄

   

  位于地下17米深处的中国散裂中子源环形加速器。记者郑杨摄

  8月28日上午10时,位于广东东莞的中国散裂中子源(CSNS)靶站谱仪控制室内,科研人员凝视着屏幕,紧张待命。只见工程总指挥兼工程经理陈和生院士一声指令,从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶,顺利获得中子束流。在场的工程人员激动地见证了这历史性的一刻——中国散裂中子源首次打靶成功!中国有了自己的散裂中子源

  被誉为“超级显微镜”的散裂中子源是了解微观世界的利器,原本仅英国、美国和日本三国拥有此设备。CSNS作为我国“十二五”期间建设的最大规模大科学装置,将成为发展中国家的第一台散裂中子源,跻身世界4大脉冲散裂中子源行列, 为高水平的科研成果提供有力支撑,并为解决国家可持续发展和国家安全战略需求的许多瓶颈问题提供先进平台。

  这个拥有“火眼金睛”的国之重器究竟长什么样?又将发挥怎样的作用?9月1日,《经济日报》记者来到CSNS园区一探究竟。

  小中子,大装置 

  国产化率超96% 

  深入地下17米深处的CSNS加速器隧道,记者得以窥见这个即将封闭进入试运行的“庞然大物”——它包括1台8千万电子伏特的负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流运输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪等。

  那么,CSNS何以成为了解微观世界的“超级显微镜”?这要从微小而神奇的中子说起。

  众所周知,X射线能拍摄人体的医学影像。而在材料学、化学、生命科学、医药等领域,科学家们也希望有一种工具,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。中子散射技术就是这样一种强有力的工具,能研究诸如DNA、蛋白质、飞机材料等的内部结构。

  中国科学院院士陈和生告诉记者,中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。由于中子不带电、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,并具有非破坏性,这使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一。

  “当中子入射到样品上,与其原子核或磁矩发生相互作用,产生散射,就可以通过测量散射的中子能量和动量的变化,研究各种物质的微观结构和运动规律。”陈和生院士解释,“做一个形象的比喻,假设面前有一张看不见的网,我们不断扔出很多玻璃弹珠,有的穿网而过,有的打在网上,弹向不同角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质”。

  虽然中子如此微小,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置,是各种高、精、尖设备组成的整体。世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国的 ISIS、美国的SNS和日本的J-PARC,中国的CSNS是全球第四台。

  “CSNS的建设攻克了许多关键核心技术难题,设备国产化率超过96%。许多设备的研制达到国内外先进水平。”陈和生院士自豪地介绍。

  如此高的国产化率是如何实现的?工程副总经理傅世年分享了设备研发中不为人知的故事,“拿加速器技术来说,与国内外大多数加速器不同,CSNS快循环同步加速器上的主磁铁真空室不能采用金属材料,必须采用陶瓷。这种大尺寸陶瓷真空室技术要求特殊,国外公司要价极高。经费有限,我们决心自己研制。科技人员同时与多个厂家合作,几年间反复多次研制,终于研发出满足设计要求的样机,得知消息后,国外公司立刻大幅降低了报价”。

  天上地下显身手 

  5年内或开启肿瘤治疗新时代 

  历经10年建设,CSNS即将完工,很快开启了产业化探索的第一步。

  8月11日,中科院高能物理研究所与东阳光集团签署合作协议,双方将利用散裂中子源开展硼中子俘获疗法(BNCT)项目,有望在未来5年内开启国内肿瘤治疗新时代。“BNCT是一种利用中子射线治疗肿瘤的技术,能有效杀死癌细胞而不损伤周边组织,具有安全性高、定位精确、价格相对低廉等特点。”东阳光集团董事长张中能说。

  神奇中子是如何定向“引爆”癌细胞的?东阳光研究总院院长唐新发介绍,首先,给癌症患者注射一种含硼的无毒药物。由于硼与癌细胞有很强的亲和力,会迅速“潜伏”于癌细胞内。此时,利用加速器产生的中子束照射肿瘤部位,中子就会被癌细胞内的硼所俘获,并在癌细胞内释放出杀伤力极强的射线。这种射线射程很短,只有一个细胞的长度,所以它只杀死癌细胞,而周围的正常组织则不会受损。

  中科院高能所所长王贻芳院士透露,高能所将充分利用散裂中子源这一研发平台,结合东阳光集团的肿瘤药研究能力,计划完成首座商业化BNCT治疗中心建设。

  事实上,散裂中子源可以大显身手的地方远不止生命科学领域。作为多学科研究的新平台,它在材料科学、化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景,可谓能上天入地下海。

  为此,陈和生院士举了许多例子。“1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,造成惨重伤亡。最后查出事故元凶竟然是老化的车轮。而找出原因的,就是英国的散裂中子源。”陈和生告诉记者,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮机翼里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免类似灾难发生的关键。现在,科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化加工工艺,让高铁和飞机更为安全舒适。

  “又如,在海底可燃冰的开采中,如果出现泄漏,后果不堪设想。散裂中子源可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其成果将为安全、高效开采利用可燃冰提供科学依据。”陈和生说。

  将建中子科学城 

  引领粤港澳大湾区产业升级 

  中国散裂中子源,有着世界其他3大散裂中子源所不具备的优势——与制造业紧密结合。

  CSNS所在地广东东莞——地处珠三角核心区域,拥有国家高新技术企业2028家,以科技创新引领产业转型升级态势明显。“我们期待将国家大科学工程的强大科技辐射力与珠三角地区强劲的经济实力结合起来,为粤港澳大湾区科技发展和产业升级作出重大贡献。”陈和生说。

  东莞市副市长黄庆辉透露,依托散裂中子源,东莞市正规划建设总面积约45.7平方公里的中子科学城。

  中子科学城所在区域是广深科技创新走廊的重要战略节点。目前,该区域已集聚了一批具有国际影响力和国际化视野的高端创新要素,包括CSNS、华为终端总部等科研创新机构和国际化企业。区域内还将集聚大量高素质人才,仅华为终端项目就将进驻3万研发人员。CSNS建成后,将吸引全国乃至全世界的顶尖研究人员前来科学实验和产业化应用,高峰时,约600名科学家可以同时开展研究。

  如何将制造业优势与散裂中子源的科技成果转换相结合,形成相关产业的集聚发展,是东莞目前探索的方向。

  黄庆辉介绍,CSNS落户后,带动了国内特别是大珠三角地区,中子散射相关科技和工业应用的迅速发展,合作单位包括中山大学、华南理工大学、工业和信息化部电子第五研究所、中科院深圳先进技术研究院等。根据广东省统一部署,先进高端材料广东省实验室也将落户东莞,依托散裂中子源推动材料科技发展。接下来,该实验室将由华南理工大学、散裂中子源双方牵头,省市共建,整合中科院高能所、广东省科学院等科研资源,形成“前沿研究、应用研究、产业技术研究、产业转化”全链条研究模式,建成具有国际影响力的创新高地。

  (原载于《经济日报》 2017-09-11 15版)


 
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