瞭望 | 大科學裝置緊盯強國剛需
大科學裝置不僅“立地”服務於國家重大需求和經濟主戰場，“頂天”帶領科學家探索宇宙奧秘，同時在工業製造、人才凝聚、國際合作等方面產生輻射效應
2021年，國家發展改革委佈局建設的國家重大科技基礎設施中國散裂中子源有兩個指標達到世界最好水平：中子束流時間超過5200小時，運行效率超過97%，體現了裝置運行的穩定性
“現在有19個其他國家和地區參與，取得成果後他們也會在自己國家和地區宣傳，江門中微子的影響力自然擴大。當然，最終目標，是要讓世界知道中國人在為人類文明的發展作貢獻。”
文 |《瞭望》新聞週刊記者 魏雨虹
8月10日，颱風“木蘭”讓江門這座城市被雨水裹挾。王貽芳不打傘，瘦削的身影腳步急促地衝在前面，不時回頭看隨行的記者是否跟上。
戴着安全帽、穿着熒光馬甲背心，《瞭望》新聞週刊記者跟隨中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士王貽芳，坐上有軌纜車，沿着42%坡度的斜井向下滑行約20分鐘，最終到達距離山頂高度700餘米的井底。
置身於巨大的球型不鏽鋼網架之中，王貽芳説：“我們現在站在水池裏面。”江門中微子實驗探測器建成後，我們站立的地方將裝滿3.5萬噸高純水，形成一個圓柱形水池。王貽芳進一步介紹，“建成後水池的中間是一個裝有2萬噸液閃的有機玻璃球，是探測中微子的核心。”
包括江門中微子實驗裝置（以下簡稱江門中微子）在內，我國已佈局建設多個大科學裝置，這些重大科技基礎設施將成為我國高水平科技自立自強的牢固基石。
“從一定意義上説，科研競爭最終比拼的是科研裝備能力。”中國科學院高能物理研究所副所長、散裂中子源科學中心主任陳延偉告訴記者，目前我國的大科學裝置大致可分為三種類型：一是進行專項科學研究，比如江門中微子、“中國天眼”；二是平台型、賦能多個領域的大科學裝置，比如散裂中子源、上海光源；三是公益服務型的大科學裝置，比如授時台、航空遙感系統。
記者先後探訪中國散裂中子源、江門中微子，感受到大科學裝置不僅“立地”服務於國家重大需求和經濟主戰場，“頂天”帶領科學家探索宇宙奧秘，同時在工業製造、人才凝聚、國際合作等方面產生輻射效應。
中國散裂中子源譜儀（2022年8月9日攝） 魏雨虹攝/本刊
散裂中子源：研究時速400公里
高鐵車輪內部應力
廣東省東莞市大朗鎮，中國第一台、世界第四台脈衝散裂中子源裝置坐落於此。在這裏，中科院高能所東莞研究部的科技工作者們，將中子化作探測物質微觀結構的利器，服務於中國經濟社會高質量發展。
中子不帶電，穿透性強。陳延偉介紹，用中子研究物質微觀結構時，中子像彈珠，材料的內部結構像一張網，“這些彈珠衝向網，有的從網穿過去，有的被彈回來。我們蒐集到這些信息後，就能夠掌握物質內部結構特點，從而更好地利用物質”。陳延偉説，中子探測特性的應用範圍很廣，不僅能研發新材料，也能應用於能源、生物等領域。
國際上，用於物質微觀結構和動力學研究的中子源經歷了從核反應堆中子源到散裂中子源的技術躍升。上世紀80年代、2006年、2009年，英國、美國和日本相繼建成高功率脈衝散裂中子源。1999年中國科學家提出建設我們自己的散裂中子源。2006年，中國散裂中子源確定落户廣東。
國際上所有散裂中子源都向全球免費開放使用，但建造中國自己的散裂中子源依然非常必要。陳延偉説，首先在於國家關鍵核心設備不能拿到國外平台。“免費使用，意味着測量出來的數據結果共享，而有一些裝備部件不適合拿到國外去研究。”另外，使用國外散裂中子源平台會受到限制，“比如你想要100小時，最終可能只獲批10小時。”
“我們需要有自己的散裂中子源，它不僅是開展前沿科學研究的重要平台，同時也為面向產業的先進信息技術、新能源、新材料研發等提供重要的實驗技術支持。更重要的是，散裂中子源為國家重大戰略需求中眾多關鍵問題解決提供了不可替代的研究手段。”中科院高能所所務委員、東莞研究部副主任王生説。
項目建設過程也是自主攻關掌握核心關鍵技術的過程。中科院高能所散裂中子源研製團隊攻堅克難，確保中國散裂中子源2011年9月奠基、2018年3月按期完工。
本刊記者瞭解到，目前的中國散裂中子源由一台8千萬電子伏特的負氫離子直線加速器、一台16億電子伏特的快循環質子同步加速器、1個靶站、若干台中子譜儀等組成。在這套整體架構呈U字母形態的裝置中，負氫離子轉變為質子注入到同步加速器中累積加速，最終引出轟擊鎢靶，在靶上發生散裂反應產生中子，再通過慢化器、中子導管等引向譜儀，供用户開展實驗。
中國散裂中子源2017年8月28日首次打靶即成功獲得中子束流，加速器和靶站在國際同類裝置中調試時間最短。
中科院高能所東莞研究部副主任梁天驕告訴記者，中國散裂中子源靶站目前的中子供束率超過98%，功率歸一的中子效率約為美國散裂中子源的2.6倍。即將開始的升級工程計劃將打靶束流功率提升到500千瓦，“到時候，我們的散裂中子源整體指標會達到國際先進”。
王生説，2021年，中國散裂中子源有兩個指標達到世界上同類裝置的最好水平：中子供束時間超過5200小時，運行效率超過97%，“體現了裝置運行的穩定可靠”。
2018年以來，中國散裂中子源完成八輪開放運行，註冊用户超過3800人。其中香港、澳門地區用户72人，國外用户65人，完成課題800餘項。目前，科研院所與高校用户佔比超過85%。
“中子散射用户正快速增長。”陳延偉説，2021至2022年度申請使用裝置課題數同比增長122%。目前運行有四台譜儀，另外正在建設、調試七台合作譜儀，二期還將增建若干譜儀和終端。全部譜儀投入運行後，會有更多用户能夠用上散裂中子源裝置。
記者採訪瞭解到，散裂中子源裝置即將調試的“工程材料譜儀”可以更準確高效地獲得高鐵車輪內部深層的殘餘應力數據，將為提升國產高鐵車輪的加工工藝和使用壽命提供關鍵數據支撐。研究人員將通過散裂中子源推進時速400公里高鐵車輪殘餘應力、深潛器焊接殘餘應力等研究。剛通過驗收的“大氣中子輻照譜儀”已經吸引了國內不少高科技企業將自家產品送來測試，確保電子元器件與系統性能的高度可靠。
江門中微子：
競逐測定中微子質量順序
如果説散裂中子源的許多研究以需求為導向，是“立地”的重大科技基礎設施，那麼位於廣東省江門市開平市的江門中微子，則是“頂天”的大科學裝置，瞄準探索宇宙奧秘。
中微子，構成物質世界最基本的粒子之一，質量小於電子的百萬分之一，以接近光速運動。中微子與普通物質的相互作用很弱，可以穿過整個地球而不與任何物質反應，導致其探測非常困難，人們對中微子瞭解甚少。對中微子的研究有助於人類解決基本粒子質量起源、宇宙原初反物質消失和暗物質之謎等重大前沿科學問題，意義深遠。
中微子研究是國際粒子物理研究的熱點。江門中微子的首要目標是確定中微子的質量順序。這是王貽芳帶領團隊繼2012年在大亞灣中微子實驗中首次發現第三種中微子振盪模式後，向中微子領域發起的又一巨大挑戰。為實現科學目標，江門實驗的探測器重量是大亞灣實驗單個探測器的一千倍，對探測器核心液體閃爍體（簡稱液閃）的潔淨度要求也是大亞灣實驗的一千倍以上。
測定中微子質量順序，國際競爭激烈。王貽芳告訴記者，美國費米實驗室的長基線加速器中微子實驗、日本頂級神岡實驗、美國在南極洲的PINGU實驗是江門中微子的主要競爭對手，它們的預期取數時間分別為2030年前、2027年、2026年，而江門中微子的預期取數時間為2024年，“江門有望率先測得中微子質量順序，且與其他競爭實驗室優勢互補”。
測定中微子質量順序之外，江門中微子還有多個科學目標，包括精確測量中微子混合參數，研究超新星、地球及太陽中微子，尋找質子衰變、不活躍中微子等。王貽芳説：“我們希望在實驗站30年的壽命中觀測到一次超新星爆發。日本科學家1987年捕捉到10個左右的超新星爆發中微子，如果有相同距離的超新星爆發，我們的實驗站能捕捉到5000個超新星爆發中微子。”
江門中微子探測裝置位於地下700米。裝置完工後，探測器最內將是直徑35.4米灌滿2萬噸液閃的有機玻璃球；玻璃球外是用於支撐它的直徑為40.1米的球型不鏽鋼網架，網架內覆蓋有4萬多個光電倍增管；最外面則是直徑43.5米，高44米的圓柱形水池，裝滿3.5萬噸高純水。
目前，球型不鏽鋼網架已自下而上安裝完畢。記者看到工人們正在網架中的圓形升降平台上，自上而下安裝有機玻璃球，目前已安裝兩層。“國際上13米直徑的有機玻璃球安裝耗時兩年，我們直徑35.4米的有機玻璃球計劃10個月裝完。” 王貽芳説。
在俯瞰平台，記者見到個頭嬌小、娃娃臉、留着短捲髮的馬驍妍。她是江門中微子的總工程師，被一羣人高馬大的工人喊作“馬總”。
馬驍妍説，因為中微子的探測很困難，雖然已經把探測器設置在地下700米，仍然需要3.5萬噸高純水沒過有機玻璃球，以屏蔽干擾信號，“保證探測到的是乾乾淨淨的中微子”。
馬驍妍進一步解釋，中微子進入液閃會有一定幾率產生熒光，但是這些光信號特別微弱，覆蓋不鏽鋼網架的光電倍增管用來接收這些光信號，並將其轉化為電信號後再放大1000萬倍。“再過半年，光電倍增管鋪滿了，我們的探測器看上去就是一個亮晶晶的大球，那會是它最漂亮的時候。”馬驍妍説。
江門中微子實驗的整體裝置結構貌似不復雜，其中卻充滿極限挑戰。王貽芳説，液閃是整個探測器“最根本的核心”，對其潔淨度要求極高，2萬噸液閃中最多允許有0.008克灰塵總量，總空氣殘留量需要小於1.2立方米，總漏氣量要小於24立方厘米。“其純度要求超過半導體用水的指標。”
日本、意大利、加拿大等國第一次對1000噸級以下液閃進行灌裝，潔淨度都未達標，只能重新純化。為保證探測靈敏度，江門中微子實驗的液閃高達2萬噸規模，難以進行二次純化，必須一次灌裝達標。
在位於江門中微子實驗室地面的液閃純化設備放置處，液閃純化子系統負責人俞伯祥告訴記者，在各個系統中的液閃材料匯入整體管路前，會被分別監測是否達到純化指標。正式灌裝液閃前，還會有20噸液閃進入模擬性質的小有機玻璃球，監測能否達標。俞伯祥説，目前預計明年8月開始灌裝液閃，6個月灌裝完畢。
江門中微子實驗球型不鏽鋼網架（2022年8月22日攝） 中國科學院高能物理研究所供圖
中國人在為人類文明的發展作貢獻
中國散裂中子源、江門中微子只是我國多點佈局的重大科技基礎設施的縮影，但從其自身建設到應用開展，已經呈現出多重輻射效應。
以散裂中子源為例，6年建成的背後是關鍵核心技術實現了突破。
中國散裂中子源核心設備國產化率超過90%。王生指出，國產化的過程降低了裝置成本，同時提升了國內相關產業的技術水平和製造能力。“如果我們的核心設備都拿到國外做，估計成本要乘以三倍。”王生説，因為中國散裂中子源建設推動的技術進步，美國大型加速器裝置的關鍵設備也到中國來做，“國內企業做的設備質優價廉”。中國散裂中子源靶體部件的製造商，還成功中標了世界上第五台散裂中子源——歐洲散裂中子源的靶體部件。
陳延偉説，進口的較大部分是中子導管，“三四年前我們也開始走國產化道路，希望二期能夠用上更多國產中子導管”。
江門中微子則研製成功擁有完全自主知識產權、達到國際先進水平的大尺寸微通道板型光電倍增管，打破了國際壟斷。“光電倍增管非自己做出來不可”，這是王貽芳在大亞灣實驗時下的決心。王貽芳説，團隊2008年開始研發光電倍增管，2016年做出來，目前自研的光電倍增管探測效率達到30.1%，高於原本國際壟斷的同類型日本光電倍增管28.5%的探測效率。
大科學裝置建設過程中產生的新技術成果還外溢應用到其他產業。
典型案例是散裂中子源的射頻四級加速器（RFQ）技術突破，惠及癌症治療。利用相關技術，2020年8月，研究人員成功研製出我國首台具有完全知識產權的加速器硼中子俘獲治療（BNCT）實驗裝置。首台臨牀設備於2022年7月底在東莞市人民醫院安裝，預計2023年5月完成安裝調試。
江門中微子實驗裝置在建造有機玻璃球過程中，因為需要測量其殘餘應力，團隊發明了可以便攜式無損檢測透明介質應力的“殘餘應力檢測儀”，目前正在產品化。
大科學裝置是科學實驗測試的平台，更是匯聚國內外一流人才的平台。
“我們這裏最開始是從北京過來一批高能所的科學家，這些年在匯聚全國各地、世界各地的科學家。”陳延偉説，團隊35歲以下年輕人佔比超過70%，“是一支充滿戰鬥力的隊伍”。
童欣現在是高能所東莞研究部中子科學部研究員，他曾經在美國學習、工作超過15年。目前在中國散裂中子源負責新建非彈性譜儀等工作，帶領一個由美國、德國、印度等國成員組成的國際小團隊。
高能所東莞研究部中子科學部副主任張俊榮則是從日本回來的數據分析專家。
年輕的李曉是高能所東莞研究部加速器技術部研究員，帶領團隊攻克了磁合金腔核心關鍵技術，將被用於中國散裂中子源二期建設。
中國大科學裝置本身就是人才培養的基地。王生説，35年前中國第一台大科學裝置——北京正負電子對撞機培養了一批骨幹人才，一部分人仍然活躍在科研一線，“我們最早的工程技術經驗都是從北京正負電子對撞機工程中得到的”。王貽芳説：“沒有大亞灣實驗的人才基礎，江門中微子是不可能做出來的。”
大科學裝置還是促進國際合作的重要平台。
王貽芳以江門中微子為例。由於具有重大科學意義和豐富的物理研究課題，加上大亞灣中微子實驗的成功經驗，江門中微子設想之初便吸引了大量國際合作者。2014年成立了國際合作組，至今已發展為由19個國家和地區的74個科研單位的600餘位科學家組成的大型國際合作組。其中包括多個國際著名粒子物理實驗的負責人及其團隊。王貽芳表示，國外經費貢獻佔總經費15%左右。比如，液閃純化設備中的蒸餾設備、氣體剝離設備由意大利提供，液閃純度監測設備由德國提供等。
王貽芳笑説：“現在有19個其他國家和地區參與，取得成果後他們會在自己國家和地區宣傳，江門中微子的影響力自然擴大。當然，最終目標，是要讓世界知道中國人在為人類文明的發展作貢獻。”■