中國散裂中子源俯瞰。
中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部中子科學(xué)部副主任殷雯在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。
以上圖片均為中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部提供
廣東東莞，松山湖科學(xué)城，緊鄰高速公路，一片造型獨(dú)特的建筑群依山而建。山坡上，“中國散裂中子源”幾個大字赫然矗立。
中國散裂中子源是中國第一臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，被稱為“超級顯微鏡”，是當(dāng)今人類深度探索微觀世界的有力工具。
建成運(yùn)行6年多來，中國散裂中子源已向全球科學(xué)家完成12輪開放，每年向用戶開放時間超過5000小時。目前，注冊用戶超過7000人，已完成1700多項(xiàng)課題，成為材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)強(qiáng)有力的研究手段。
自2000年提出項(xiàng)目建議，到2018年通過國家驗(yàn)收正式投入運(yùn)行，到如今二期項(xiàng)目加快推進(jìn)，20余年里，為了建設(shè)這一國家大科學(xué)工程，中國科學(xué)院高能物理研究所老中青三代科研人員攻堅突破了一系列科技難題，用智慧和汗水，使得整體設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效運(yùn)行。
自主創(chuàng)新，打造“中國方案”
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與中國散裂中子源有著不解之緣。在過去20余年里，從預(yù)研到建設(shè)，他深度參與其中，見證了這個“國之重器”從無到有并走向成熟的過程。
“建設(shè)大科學(xué)工程，既要有深厚的理論基礎(chǔ)，也需要有非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神和一絲不茍的工匠精神，我始終懷著敬畏之心。”王生說。
在中國散裂中子源建設(shè)之前，世界上已建成3臺脈沖型散裂中子源，分別是英國散裂中子源、美國散裂中子源和日本散裂中子源。
王生說：“每臺散裂中子源采用的技術(shù)路線都有很大差別，指標(biāo)也不一樣。國內(nèi)同類設(shè)備是第一次研制，我們幾乎是從零起步。”
走別人沒走過的路，自然會遇到不少難關(guān)，設(shè)計中國散裂中子源的高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器便是其中之一。
中國散裂中子源是利用1.6GeV（十六億電子伏特）的高能質(zhì)子束流轟擊重金屬靶而產(chǎn)生高通量中子，中子經(jīng)過慢化可用來研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動。因此，散裂中子源的加速器屬于高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器，其設(shè)計需滿足特殊要求：打靶的功率要高，同時要求束流損失控制在很低的水平。
“高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器，涉及眾多領(lǐng)域的前沿科技，從加速器物理設(shè)計到大量關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，在國內(nèi)都是第一次。”王生說，“整個過程復(fù)雜且精密度高，僅加速器就由近萬臺套設(shè)備組合而成，參與設(shè)計和研制的專業(yè)團(tuán)隊(duì)超過150人，涉及10多個不同專業(yè)。”
最終，通過大量方案設(shè)計優(yōu)化比較，王生團(tuán)隊(duì)確定了中國散裂中子源采用較低能量的直線加速器和快循環(huán)質(zhì)子同步加速器的設(shè)計方案，造價低且易于升級，以很小的代價保留了束流功率提升5倍的能力，為保證中國散裂中子源長期保持世界先進(jìn)水平打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。
設(shè)計方案選定，裝置建設(shè)過程中，挑戰(zhàn)接二連三。
快循環(huán)質(zhì)子同步加速器的25赫茲交流諧振磁鐵是關(guān)鍵設(shè)備，在我國也是首次研制。
“當(dāng)時，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發(fā)熱等都是全新問題，技術(shù)挑戰(zhàn)難度超乎想象。6年時間里，科研人員與工廠技術(shù)人員聯(lián)合攻關(guān)，多次優(yōu)化方案、改進(jìn)關(guān)鍵材料配方，逐一攻破技術(shù)難關(guān)，終于靠自己的力量研制出國內(nèi)首臺諧振狀態(tài)工作磁鐵。”中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部加速器技術(shù)部副主任李曉回憶說。
針對磁鐵的磁場飽和，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了諧振電源的諧波補(bǔ)償新方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場精確同步問題，精度優(yōu)于國外散裂中子源，達(dá)到世界先進(jìn)水平。
逢山開路、遇水架橋。通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，散裂中子源建設(shè)團(tuán)隊(duì)先后攻克了25赫茲交流諧振磁鐵和電源、中子探測器等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)備國產(chǎn)化率超過90%。
“國產(chǎn)化的過程降低了裝置成本，同時提升了國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和制造能力。”王生說。
精益求精，追求“中國質(zhì)量”
散裂中子源裝置極為龐大，部件繁多，工藝極其復(fù)雜，制造和安裝難度極大。
中國散裂中子源園區(qū)地下18米深處，有一條總長600多米的隧道。一臺80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器和一臺16億電子伏特快循環(huán)質(zhì)子同步加速器就安放在這里。
這些設(shè)備對安裝誤差的要求極其嚴(yán)苛。王生至今仍對直線加速器漂移管的安裝過程印象深刻。
直線加速器4個真空腔體共有156個漂移管，安裝誤差不能超過30微米，安裝過程需要調(diào)節(jié)幾十個參量。剛開始，工程團(tuán)隊(duì)24小時兩班倒。經(jīng)過半個月，好不容易裝到第六個部件并已完成標(biāo)準(zhǔn)檢測，工程人員突然發(fā)現(xiàn)，由于部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在標(biāo)準(zhǔn)的檢測時間內(nèi)，輕微的漏點(diǎn)不易被檢測出，需要對標(biāo)準(zhǔn)檢測時間進(jìn)行延長。所以，團(tuán)隊(duì)還是決定把已安裝好的部件全部拆除，重新進(jìn)行安裝和檢測。
王生說：“哪怕看似微小的問題，都可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，所以工程建設(shè)過程中要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，不能放過任何一個潛在的問題。”
為了滿足更多、更高的用戶需求，2024年1月，中國散裂中子源二期工程正式啟動建設(shè)。二期工程建成后，裝置的研究能力將大幅提升，能夠?yàn)樘剿骺茖W(xué)前沿、解決國家重大需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵問題提供更加堅實(shí)的支撐。
二期工程中，加速器打靶束（流）將從一期設(shè)計功率100千瓦提升到500千瓦。
中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部加速器技術(shù)部副主任劉華昌說：“功率提升5倍，完全靠束（流）的流強(qiáng)提升，需要采用超導(dǎo)腔，將直線加速器的能量大幅提升。這對速調(diào)管的性能和指標(biāo)提出了更高的要求。”
大功率速調(diào)管零部件數(shù)以百計，涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，從研制到安裝，每一個環(huán)節(jié)都必須精確無誤。高通過率電子束流光路要求傳輸效率達(dá)到100%，所有零部件的安裝精度要控制在20微米之內(nèi)。
迎難而上，中國科學(xué)院高能物理研究所研究團(tuán)隊(duì)在前期環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)高效率速調(diào)管預(yù)研工作基礎(chǔ)上，同上下游企業(yè)通力合作、攻堅克難，最終成功研制出首臺全國產(chǎn)化P波段大功率速調(diào)管。
“經(jīng)過連續(xù)24小時無故障運(yùn)行，國產(chǎn)P波段大功率速調(diào)管全部性能指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計要求，順利通過驗(yàn)收。”劉華昌說。
勇于突破，跑出“中國速度”
2017年7月7日，中國散裂中子源的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器成功將質(zhì)子束流加速到設(shè)計能量1.6GeV，并成功引出。這是工程建設(shè)中的又一個里程碑。
王生說：“按照國外以往的經(jīng)驗(yàn)，一般要半個月到一個月才能實(shí)現(xiàn)全能量的加速。但是，我們調(diào)速當(dāng)天就實(shí)現(xiàn)了全能量加速，并在48小時不間斷調(diào)束之后，將束流損失控制到允許的范圍內(nèi)。這表明，我們整臺加速器設(shè)計合理，硬件設(shè)備質(zhì)量優(yōu)良，達(dá)到設(shè)計要求。”
回憶當(dāng)時情景，王生仍難掩興奮，“當(dāng)看到設(shè)計中的束流曲線，在實(shí)際束流調(diào)試過程中逐步完美呈現(xiàn)出來時，那一刻心情特別激動。”
把質(zhì)子束流成功加速到設(shè)計能量，為接下來的打靶等一系列環(huán)節(jié)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。2017年8月，中國散裂中子源首次打靶成功，獲得漂亮的中子束流能譜曲線。2018年8月23日，中國散裂中子源工程圓滿通過了國家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)行。
工程達(dá)到驗(yàn)收指標(biāo)，只是萬里長征走完了第一步。“要達(dá)到工程設(shè)計指標(biāo)，還要在驗(yàn)收指標(biāo)10千瓦的基礎(chǔ)上，把束流功率提高10倍，達(dá)到100千瓦。”王生說，“我們要做的工作還很多。”
此后，王生率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在工程開放運(yùn)行的間隙，進(jìn)行了大量的束流調(diào)試和研究工作。在保證正常開放運(yùn)行的情況下，團(tuán)隊(duì)科學(xué)安排束流調(diào)試，分階段提高束流功率。
2020年2月，團(tuán)隊(duì)成員開始了加速器束流提升攻堅戰(zhàn)。這一個月里，調(diào)束人員共分為兩班，24小時工作不停歇。
2020年2月28日，中國散裂中子源打靶束流功率達(dá)到100千瓦的設(shè)計指標(biāo)，并開始100千瓦穩(wěn)定供束運(yùn)行。這比原計劃整整提前一年半，團(tuán)隊(duì)十幾年的付出，終于迎來回報。
“相比于國際上其它散裂中子源至少需要五六年達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的調(diào)束時間，我們跑出了中國速度。”王生興奮地說。
作為散裂中子源科學(xué)中心譜儀研發(fā)與應(yīng)用一組的負(fù)責(zé)人，中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部中子科學(xué)部副主任殷雯是最早參加中國散裂中子源工程的骨干之一。
2013年，隨著中國散裂中子源在東莞建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，殷雯開始長期在松山湖科學(xué)城工作，主導(dǎo)設(shè)計并建造了其中的靶站屏蔽體系統(tǒng)。
讓她引以為豪的是靶站屏蔽體系統(tǒng)中核心部分——中子束線開關(guān)的自主研制。
“團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次試驗(yàn)、反復(fù)論證優(yōu)化，僅用18個月的時間，就攻克了所有關(guān)鍵技術(shù)，成功完成中子束線開關(guān)系統(tǒng)樣機(jī)的研制，為工程正式開工及后續(xù)批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵的技術(shù)保障。”
年輕力量，彰顯“中國精神”
中國散裂中子源項(xiàng)目建設(shè)之初，大批剛剛走出校園的年輕人加入團(tuán)隊(duì)。隨著工程建設(shè)的推進(jìn)，這些年輕人也在實(shí)踐中不斷成長。
以散裂中子源加速器團(tuán)隊(duì)為例，團(tuán)隊(duì)成員共120余人，平均年齡只有35歲左右，是國內(nèi)最年輕的加速器團(tuán)隊(duì)。
在王生看來，這是一支專業(yè)優(yōu)秀、朝氣蓬勃，特別有奉獻(xiàn)精神的團(tuán)隊(duì)。
“我們平時加班到晚上十一二點(diǎn)是常態(tài)。裝置是24小時開放運(yùn)行，為保障用戶機(jī)時，出現(xiàn)故障時，團(tuán)隊(duì)成員要隨叫隨到，凌晨兩三點(diǎn)趕到現(xiàn)場解決突發(fā)的故障也是常有的事。”王生說。
隨著中國散裂中子源二期工程啟動，青年團(tuán)隊(duì)挑起了更重的擔(dān)子，在關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研方面取得眾多關(guān)鍵進(jìn)展。
高功率高梯度磁合金加載腔是中國散裂中子源二期工程中必須突破的關(guān)鍵技術(shù)。
李曉帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過近10年預(yù)研，從基礎(chǔ)材料和基本工藝著手，在國產(chǎn)高功率高梯度磁合金加載腔的研制上取得重大成果，其中磁環(huán)最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，比目前國際上公開報道的最高性能指標(biāo)提高約30%。
“作為年輕科技工作者，要發(fā)揮自己的主觀能動性，要敢于挑戰(zhàn)世界最先進(jìn)的技術(shù)，同時要把自己的視野打開，更多地參與到國際最前沿的競爭中。”李曉說。
殷雯說：“團(tuán)隊(duì)有朝氣、有魄力，更有向前突破的精神。對于我來說，能趕上這個時代，并且在這個團(tuán)隊(duì)里工作是非常幸運(yùn)的事，因?yàn)樵谶@個平臺上，我們可以發(fā)揮特長，不斷學(xué)習(xí)和提高。”
如今，這支年輕的團(tuán)隊(duì)還在不斷取得一個又一個新的突破。
“我們將持續(xù)推進(jìn)二期工程建設(shè)，為粵港澳大灣區(qū)科技發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級提供重要支撐，為加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量。”王生說。
