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【瞭望】大科学装置紧盯强国刚需
2022-08-30|文章来源:新闻周刊记者?魏雨虹 |【
 

 

中国散裂中子源谱仪(2022年8月9日摄) 魏雨虹摄/本刊

  ◇大科学装置不仅“立地”服务于国家重大需求和经济主战场,“顶天”带领科学家探索宇宙奥秘,同时在工业制造、人才凝聚、国际合作等方面产生辐射效应

  ◇2021年,国家发展改革委布局建设的国家重大科技基础设施中国散裂中子源有两个指标达到世界最好水平:中子束流时间超过5200小时,运行效率超过97%,体现了装置运行的稳定性

  ◇“现在有19个其他国家和地区参与,取得成果后他们也会在自己国家和地区宣传,江门中微子的影响力自然扩大。当然,最终目标,是要让世界知道中国人在为人类文明的发展作贡献。”

江门中微子实验球型不锈钢网架(2022年8月22日摄) 中国科学院高能物理研究所供图 

  8月10日,台风“木兰”让江门这座城市被雨水裹挟。王贻芳不打伞,瘦削的身影脚步急促地冲在前面,不时回头看随行的记者是否跟上。

  戴着安全帽、穿着荧光马甲背心,《瞭望》新闻周刊记者跟随中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳,坐上有轨缆车,沿着42%坡度的斜井向下滑行约20分钟,最终到达距离山顶高度700余米的井底。

  置身于巨大的球型不锈钢网架之中,王贻芳说:“我们现在站在水池里面。”江门中微子实验探测器建成后,我们站立的地方将装满3.5万吨高纯水,形成一个圆柱形水池。王贻芳进一步介绍,“建成后水池的中间是一个装有2万吨液闪的有机玻璃球,是探测中微子的核心。”

  包括江门中微子实验装置(以下简称江门中微子)在内,我国已布局建设多个大科学装置,这些重大科技基础设施将成为我国高水平科技自立自强的牢固基石。

  “从一定意义上说,科研竞争最终比拼的是科研装备能力。”中国科学院高能物理研究所副所长、散裂中子源科学中心主任陈延伟告诉记者,目前我国的大科学装置大致可分为三种类型:一是进行专项科学研究,比如江门中微子、“中国天眼”;二是平台型、赋能多个领域的大科学装置,比如散裂中子源、上海光源;三是公益服务型的大科学装置,比如授时台、航空遥感系统。

  记者先后探访中国散裂中子源、江门中微子,感受到大科学装置不仅“立地”服务于国家重大需求和经济主战场,“顶天”带领科学家探索宇宙奥秘,同时在工业制造、人才凝聚、国际合作等方面产生辐射效应。

  散裂中子源:研究时速400公里

  高铁车轮内部应力

  广东省东莞市大朗镇,中国第一台、世界第四台脉冲散裂中子源装置坐落于此。在这里,中科院高能所东莞研究部的科技工作者们,将中子化作探测物质微观结构的利器,服务于中国经济社会高质量发展。

  中子不带电,穿透性强。陈延伟介绍,用中子研究物质微观结构时,中子像弹珠,材料的内部结构像一张网,“这些弹珠冲向网,有的从网穿过去,有的被弹回来。我们搜集到这些信息后,就能够掌握物质内部结构特点,从而更好地利用物质”。陈延伟说,中子探测特性的应用范围很广,不仅能研发新材料,也能应用于能源、生物等领域。

  国际上,用于物质微观结构和动力学研究的中子源经历了从核反应堆中子源到散裂中子源的技术跃升。上世纪80年代、2006年、2009年,英国、美国和日本相继建成高功率脉冲散裂中子源。1999年中国科学家提出建设我们自己的散裂中子源。2006年,中国散裂中子源确定落户广东。

  国际上所有散裂中子源都向全球免费开放使用,但建造中国自己的散裂中子源依然非常必要。陈延伟说,首先在于国家关键核心设备不能拿到国外平台。“免费使用,意味着测量出来的数据结果共享,而有一些装备部件不适合拿到国外去研究。”另外,使用国外散裂中子源平台会受到限制,“比如你想要100小时,最终可能只获批10小时。”

  “我们需要有自己的散裂中子源,它不仅是开展前沿科学研究的重要平台,同时也为面向产业的先进信息技术、新能源、新材料研发等提供重要的实验技术支持。更重要的是,散裂中子源为国家重大战略需求中众多关键问题解决提供了不可替代的研究手段。”中科院高能所所务委员、东莞研究部副主任王生说。

  项目建设过程也是自主攻关掌握核心关键技术的过程。中科院高能所散裂中子源研制团队攻坚克难,确保中国散裂中子源2011年9月奠基、2018年3月按期完工。

  本刊记者了解到,目前的中国散裂中子源由一台8千万电子伏特的负氢离子直线加速器、一台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、1个靶站、若干台中子谱仪等组成。在这套整体架构呈U字母形态的装置中,负氢离子转变为质子注入到同步加速器中累积加速,最终引出轰击钨靶,在靶上发生散裂反应产生中子,再通过慢化器、中子导管等引向谱仪,供用户开展实验。

  中国散裂中子源2017年8月28日首次打靶即成功获得中子束流,加速器和靶站在国际同类装置中调试时间最短。

  中科院高能所东莞研究部副主任梁天骄告诉记者,中国散裂中子源靶站目前的中子供束率超过98%,功率归一的中子效率约为美国散裂中子源的2.6倍。即将开始的升级工程计划将打靶束流功率提升到500千瓦,“到时候,我们的散裂中子源整体指标会达到国际先进”。

  王生说,2021年,中国散裂中子源有两个指标达到世界上同类装置的最好水平:中子供束时间超过5200小时,运行效率超过97%,“体现了装置运行的稳定可靠”。

  2018年以来,中国散裂中子源完成八轮开放运行,注册用户超过3800人。其中香港、澳门地区用户72人,国外用户65人,完成课题800余项。目前,科研院所与高校用户占比超过85%。

  “中子散射用户正快速增长。”陈延伟说,2021至2022年度申请使用装置课题数同比增长122%。目前运行有四台谱仪,另外正在建设、调试七台合作谱仪,二期还将增建若干谱仪和终端。全部谱仪投入运行后,会有更多用户能够用上散裂中子源装置。

  记者采访了解到,散裂中子源装置即将调试的“工程材料谱仪”可以更准确高效地获得高铁车轮内部深层的残余应力数据,将为提升国产高铁车轮的加工工艺和使用寿命提供关键数据支撑。研究人员将通过散裂中子源推进时速400公里高铁车轮残余应力、深潜器焊接残余应力等研究。刚通过验收的“大气中子辐照谱仪”已经吸引了国内不少高科技企业将自家产品送来测试,确保电子元器件与系统性能的高度可靠。

  江门中微子:

  竞逐测定中微子质量顺序

  如果说散裂中子源的许多研究以需求为导向,是“立地”的重大科技基础设施,那么位于广东省江门市开平市的江门中微子,则是“顶天”的大科学装置,瞄准探索宇宙奥秘。

  中微子,构成物质世界最基本的粒子之一,质量小于电子的百万分之一,以接近光速运动。中微子与普通物质的相互作用很弱,可以穿过整个地球而不与任何物质反应,导致其探测非常困难,人们对中微子了解甚少。对中微子的研究有助于人类解决基本粒子质量起源、宇宙原初反物质消失和暗物质之谜等重大前沿科学问题,意义深远。

  中微子研究是国际粒子物理研究的热点。江门中微子的首要目标是确定中微子的质量顺序。这是王贻芳带领团队继2012年在大亚湾中微子实验中首次发现第三种中微子振荡模式后,向中微子领域发起的又一巨大挑战。为实现科学目标,江门实验的探测器重量是大亚湾实验单个探测器的一千倍,对探测器核心液体闪烁体(简称液闪)的洁净度要求也是大亚湾实验的一千倍以上。

  测定中微子质量顺序,国际竞争激烈。王贻芳告诉记者,美国费米实验室的长基线加速器中微子实验、日本顶级神冈实验、美国在南极洲的PINGU实验是江门中微子的主要竞争对手,它们的预期取数时间分别为2030年前、2027年、2026年,而江门中微子的预期取数时间为2024年,“江门有望率先测得中微子质量顺序,且与其他竞争实验室优势互补”。

  测定中微子质量顺序之外,江门中微子还有多个科学目标,包括精确测量中微子混合参数,研究超新星、地球及太阳中微子,寻找质子衰变、不活跃中微子等。王贻芳说:“我们希望在实验站30年的寿命中观测到一次超新星爆发。日本科学家1987年捕捉到10个左右的超新星爆发中微子,如果有相同距离的超新星爆发,我们的实验站能捕捉到5000个超新星爆发中微子。”

  江门中微子探测装置位于地下700米。装置完工后,探测器最内将是直径35.4米灌满2万吨液闪的有机玻璃球;玻璃球外是用于支撑它的直径为40.1米的球型不锈钢网架,网架内覆盖有4万多个光电倍增管;最外面则是直径43.5米,高44米的圆柱形水池,装满3.5万吨高纯水。

  目前,球型不锈钢网架已自下而上安装完毕。记者看到工人们正在网架中的圆形升降平台上,自上而下安装有机玻璃球,目前已安装两层。“国际上13米直径的有机玻璃球安装耗时两年,我们直径35.4米的有机玻璃球计划10个月装完。” 王贻芳说。

  在俯瞰平台,记者见到个头娇小、娃娃脸、留着短卷发的马骁妍。她是江门中微子的总工程师,被一群人高马大的工人喊作“马总”。

  马骁妍说,因为中微子的探测很困难,虽然已经把探测器设置在地下700米,仍然需要3.5万吨高纯水没过有机玻璃球,以屏蔽干扰信号,“保证探测到的是干干净净的中微子”。

  马骁妍进一步解释,中微子进入液闪会有一定几率产生荧光,但是这些光信号特别微弱,覆盖不锈钢网架的光电倍增管用来接收这些光信号,并将其转化为电信号后再放大1000万倍。“再过半年,光电倍增管铺满了,我们的探测器看上去就是一个亮晶晶的大球,那会是它最漂亮的时候。”马骁妍说。

  江门中微子实验的整体装置结构貌似不复杂,其中却充满极限挑战。王贻芳说,液闪是整个探测器“最根本的核心”,对其洁净度要求极高,2万吨液闪中最多允许有0.008克灰尘总量,总空气残留量需要小于1.2立方米,总漏气量要小于24立方厘米。“其纯度要求超过半导体用水的指标。”

  日本、意大利、加拿大等国第一次对1000吨级以下液闪进行灌装,洁净度都未达标,只能重新纯化。为保证探测灵敏度,江门中微子实验的液闪高达2万吨规模,难以进行二次纯化,必须一次灌装达标。

  在位于江门中微子实验室地面的液闪纯化设备放置处,液闪纯化子系统负责人俞伯祥告诉记者,在各个系统中的液闪材料汇入整体管路前,会被分别监测是否达到纯化指标。正式灌装液闪前,还会有20吨液闪进入模拟性质的小有机玻璃球,监测能否达标。俞伯祥说,目前预计明年8月开始灌装液闪,6个月灌装完毕。

  中国人在为人类文明的发展作贡献

  中国散裂中子源、江门中微子只是我国多点布局的重大科技基础设施的缩影,但从其自身建设到应用开展,已经呈现出多重辐射效应。

  以散裂中子源为例,6年建成的背后是关键核心技术实现了突破。

  中国散裂中子源核心设备国产化率超过90%。王生指出,国产化的过程降低了装置成本,同时提升了国内相关产业的技术水平和制造能力。“如果我们的核心设备都拿到国外做,估计成本要乘以三倍。”王生说,因为中国散裂中子源建设推动的技术进步,美国大型加速器装置的关键设备也到中国来做,“国内企业做的设备质优价廉”。中国散裂中子源靶体部件的制造商,还成功中标了世界上第五台散裂中子源——欧洲散裂中子源的靶体部件。

  陈延伟说,进口的较大部分是中子导管,“三四年前我们也开始走国产化道路,希望二期能够用上更多国产中子导管”。

  江门中微子则研制成功拥有完全自主知识产权、达到国际先进水平的大尺寸微通道板型光电倍增管,打破了国际垄断。“光电倍增管非自己做出来不可”,这是王贻芳在大亚湾实验时下的决心。王贻芳说,团队2008年开始研发光电倍增管,2016年做出来,目前自研的光电倍增管探测效率达到30.1%,高于原本国际垄断的同类型日本光电倍增管28.5%的探测效率。

  大科学装置建设过程中产生的新技术成果还外溢应用到其他产业。

  典型案例是散裂中子源的射频四级加速器(RFQ)技术突破,惠及癌症治疗。利用相关技术,2020年8月,研究人员成功研制出我国首台具有完全知识产权的加速器硼中子俘获治疗(BNCT)实验装置。首台临床设备于2022年7月底在东莞市人民医院安装,预计2023年5月完成安装调试。

  江门中微子实验装置在建造有机玻璃球过程中,因为需要测量其残余应力,团队发明了可以便携式无损检测透明介质应力的“残余应力检测仪”,目前正在产品化。

  大科学装置是科学实验测试的平台,更是汇聚国内外一流人才的平台。

  “我们这里最开始是从北京过来一批高能所的科学家,这些年在汇聚全国各地、世界各地的科学家。”陈延伟说,团队35岁以下年轻人占比超过70%,“是一支充满战斗力的队伍”。

  童欣现在是高能所东莞研究部中子科学部研究员,他曾经在美国学习、工作超过15年。目前在中国散裂中子源负责新建非弹性谱仪等工作,带领一个由美国、德国、印度等国成员组成的国际小团队。

  高能所东莞研究部中子科学部副主任张俊荣则是从日本回来的数据分析专家。

  年轻的李晓是高能所东莞研究部加速器技术部研究员,带领团队攻克了磁合金腔核心关键技术,将被用于中国散裂中子源二期建设。

  中国大科学装置本身就是人才培养的基地。王生说,35年前中国第一台大科学装置——北京正负电子对撞机培养了一批骨干人才,一部分人仍然活跃在科研一线,“我们最早的工程技术经验都是从北京正负电子对撞机工程中得到的”。王贻芳说:“没有大亚湾实验的人才基础,江门中微子是不可能做出来的。”

  大科学装置还是促进国际合作的重要平台。

  王贻芳以江门中微子为例。由于具有重大科学意义和丰富的物理研究课题,加上大亚湾中微子实验的成功经验,江门中微子设想之初便吸引了大量国际合作者。2014年成立了国际合作组,至今已发展为由19个国家和地区的74个科研单位的600余位科学家组成的大型国际合作组。其中包括多个国际著名粒子物理实验的负责人及其团队。王贻芳表示,国外经费贡献占总经费15%左右。比如,液闪纯化设备中的蒸馏设备、气体剥离设备由意大利提供,液闪纯度监测设备由德国提供等。

  王贻芳笑说:“现在有19个其他国家和地区参与,取得成果后他们会在自己国家和地区宣传,江门中微子的影响力自然扩大。当然,最终目标,是要让世界知道中国人在为人类文明的发展作贡献。”

引自《瞭望》新闻周刊 2022.8.29版 原地址:https://h.xinhuaxmt.com/vh512/share/11062583?d=1348b9b&channel=weixin


 
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