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中国散裂中子源

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科协高能所分会
举办时间:2018-03-07       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
交流与讨论
主要专家简介:
  1. 厉光烈  中科院高能所,研究员,理论物理
  2. 朱爱民  中科院高能所文献信息部,副研究馆员
  3. 李建国  中科院高能所,研究员,原高能所加速器中心
  4. 张长春  中科院高能所,研究员,实验物理
  5. 陈仁怀  中科院高能所,高级工程师,原高能所同步辐射室
  6. 桂文庄  中科院原高技术局局长,研究员,中科院老科协副理事长
  7. 徐中雄  中科院高能所,研究员,原高能所工程办公室
  8. 童国梁  中科院高能所,研究员,高能物理
展开

【简介】

 

中子散射技术可以为诸多研究领域提供先进的研究和分析手段,它与同步辐射相互补充,应用十分广泛。中子探针的主要特点是:能够探测物质磁性,广泛应用于磁性材料的研究;能探测原子核位置,特别是可以看见轻元素;能探测大的工程试样;具有合适的能量动量关系,能探测物质里原子与分子的动态运动过程。主旨报告将介绍中子散射技术在科学技术和工程领域的若干典型应用。

散裂中子源提供的中子束脉冲时间结构好,强度高,能谱宽,成为中子散射研究和应用的先进工具。中国散裂中子源是我国十二五期间最大的大科学工程,落户广东省东莞市。目前主体工程已经完工,投入运行,并于2017年8月28日成功实现第一次质子束流打靶,获得中子束流。今年2月,装置的性能已经全部达到国家验收的要求。计划于2018年春通过国家验收,对用户开放。预期中国散裂中子源将为我国在物理、化学化工、材料科学技术、生命科学、资源环境、新能源等领域的研究提供最先进的研究平台,并为解决我国国民经济的持续发展和国家安全的许多瓶颈问题提供关键研究工具。

报告将介绍中子散射及其应用,中国散裂中子源的工程概况、建设进展及其应用前景。

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【主持人致辞】

 

姜焕清:在院老科协的支持下,今天我们第一次举办学术沙龙活动,也是中国科学院老科协高能所分会成立以后第一次大型活动。今天沙龙的主题是中国散裂中子源。

我们知道中子散射技术的应用越来越广泛,对中子源的要求也是越来越高。几十年前,在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室,就有一条利用LAMPF的强流质子在原子核上的散裂反应产生强流中子源的束流线,称之为散裂中子源。最近几十年来,一些西方发达国家相继建成了散裂中子源,它为其它学科的发展提供了很好的工具,媒体上把散裂中子源称之为“超级显微镜”。我国在十二五期间决定建设中国散裂中子源,项目主要承担单位是高能所,经过这几年的努力,项目快要验收了。这个项目的参加者都很忙,项目的总经理陈和生院士更忙,但是,一听是高能所老科协的活动,他很支持,满口答应为我们的学术沙龙做主旨演讲。我们今天学术沙龙的题目就是《中国散裂中子源》。

为什么国家要投巨资建设散裂中子源?它有什么用处?它现在建设情况怎么样?高能所有关同志是怎么样为之拼搏奋斗的?今天就由陈院士介绍这方面的情况。主旨报告之后,大家可以就如何更好发挥中国散裂中子源的作用?如何利用它做出前沿性、创新性成果?充分畅想,各抒己见。今天参加这次沙龙的都是在高能物理、核物理、加速器方面从事多年研究工作的老同志,都是很有经验的,希望大家听完了报告以后,有什么问题都可以问,有什么想法都可以讨论。

我们很高兴,今天院老科协的副理事长桂文庄先生和办公室主任麻莉雯女士也来参加我们的沙龙活动,我们对他们的到来表示热烈的欢迎。下面请陈和生院士做主旨报告。

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【主旨报告】

 

陈和生:中国散裂中子源

中国散裂中子源建设是高能所最近10年,继BEPCⅡ以后最大的一个任务,也是我国迄今为止最大的科学工程,它的意义很重要,也是高能所几代人共同努力的结晶,所以我很高兴用这个机会向大家汇报一下散裂中子源的情况。

我首先介绍一下利用中子散射技术研究物质结构特点,为什么要建设散裂中子源,然后再介绍一下中国散裂中子源的情况。

1.中子散射技术

中子散射是和同步辐射互补的研究物质微观结构及其运动规律的工具。同步辐射是X光探针与原子核外的电子发生作用,这就决定了它对重的元素敏感,因为重的元素核外的电子多。中子探针是利用中子和原子核之间的相互作用,它有这样几个特点:第一,由于中子具有磁性,所以能够探测物质的磁性结构。第二,它对原子核的位置敏感,特别是对轻元素也敏感,能够区分同位素。第三,由于中子穿透能力强,所以它能够穿透大的工程部件,能够做同步辐射所不能做的很多事情。第四,它适合于探测物质的动态过程,就是说它在测量结构的同时,中子的非弹性散射还能够测量构成物质的原子核的运动状态。由于这四种原因,所以中子对物质结构的探测,起到一个非常重要的作用。但是,缺点是什么呢?第一,同步辐射产生的光子的流强可以非常强,比散裂中子源产生的中子流强要高几个数量级。第二,同步辐射的光子在样品上发生散射、衍射后,光子容易探测,而中子的探测要难得多,所以中子散射的实验比较难做。另外,散裂中子源的造价比同步辐射光源要贵得多,技术复杂。还有,实验难度大,同步辐射可能用几秒钟测完样品,中子散射用几十分钟能测完都是快的了。

由于这几个特点,所以我们说中子散射和同步辐射是研究物质结构的两个强有力的工具,互相补充。

图1  中子散射是探测物质结构的重要手段

1932年查德威克发现了中子。中子的发现非常重要,一方面改变了人们对原子核组成的认识,另一方面,为变革原子核提供了有力的工具。美国科学家布罗克豪斯和沙尔建立的谱仪实现了利用中子的弹性和非弹散射探测晶体中分子、原子和原子分子团簇的位置以及运动状态,1994年布罗克豪斯和沙尔获得了诺贝尔物理学奖,他们的工作推动了中子散射的广泛应用,对强流中子源的需求也越来越高。流强比较强的中子源有两种,一个是反应堆,比如中国先进研究反应堆;另一种就是散裂中子源。

下面再具体讲一下上面提到的中子散射的优点,或者说为什么它很贵,实验很难做,但还不可或缺?

第一,中子有磁矩,-1.913μN,这就使得它成为研究材料中磁结构和磁涨落的非常有利的工具,也可以说是唯一的工具。大家知道磁性材料是当前存储器主要的材料,所以用这种方法可以进行非常深入的研究。

第二,由于中子是和原子核相互作用,而不是和核外的电子相互作用,这就带来两个优点,一是,同步辐射光与化学元素散射的截面和化学元素的电荷成正比,所以,我们接触最多的氢、锂、碳、氧等等反应截面都比较小,而中子是和原子核相互作用,所以与这些质量相近的原子核的反应截面就不小。比如,它与氢的反应截面就非常之大,与碳、氧的反应截面同样很大。碳、氢等是化学能源的主要成分,碳、氢、氧、氮等是构成生命的重要元素,利用中子散射来研究它们是一个非常有力的手段。比如溶解酵素蛋白质分子,用同步辐射看到的主要是重的元素,而用散裂中子源,看到的就包括非常丰富的水的分子,测的非常清楚。还有,比如说,高温超导当中氧的占有率是研究高温超导非常重要的方面,要想把氧研究清楚,散裂中子源技术也是非常重要的一个手段。当用中子散射研究分子结构或者蛋白质结构的时候,会得到一个更加清楚和完整的图象,是同步辐射所做不到的。还有一点,我们在研究当中经常想区分不同的同位素,由于中子对同一个元素的不同同位素的反应截面差别也非常大,所以可以用来区分不同的同位素。比如说大家现在非常关心可燃冰的开采和使用,一方面可燃冰储藏量大,没有污染,被认为是非常好的一个领域。但是,沉积在几千米深的海底的可燃冰,当你去碰它,会不会突然一下大面积的转换成为气体,在海面形成惊涛骇浪,完全失控?甚至于说突然的、大量的释放气体,把人毒死?因此,要开采可燃冰,就必须对可燃冰的性质有充分的认识。如果没有充分的认识,去做这件事情是有很多危险的。那么怎么研究可燃冰?一个是需要把可燃冰放在高压容器内,只有散裂中子源的中子能够穿过这个容器。还有一个是可燃冰本身就是碳氢化合物,如果用散裂中子源能够很好的区分研究碳氢,就可以研究可燃冰当中的甲烷和氢的取向、多重结构、储藏能力、稳定性、释放条件等等非常关键的因素。现在就在考虑用中国散裂中子源进行可燃冰的研究,已经测到了在不同压力下可燃冰的状况。

还有一个,由于中子的穿透能力很强,所以它能够直接地、原位地研究工程的大部件。比如说去研究文物结构,由此了解文物是怎么做的?该怎么维护?石油管线裂纹的成因研究,或者飞机涡轮叶片焊接的研究等等。焊接历来是材料工程技术当中的一个难点,因为通常焊接手段是把两种材料熔化,加上焊料连在一起,融化以后再连上,它的性质就有很大变化,一般来讲,只有原来强度的50%到60%。现在有一种新型的焊接办法 — 搅拌摩擦焊接,就是拿着有一定压力的高速摩擦的工件,让它在表面上走过去,来进行焊接,这样就能够避免常规焊接的弱点。比如美国宇航局波音公司的火箭液氧或者液氢的罐子都是这样焊接的,我国长征5号、长征7号也是用摩擦焊接来做燃料箱的焊接。这个时候就有一个问题,摩擦焊的时候,如果速度不够高、压力不够大,就没有焊牢,若压力温度高了、融化了,就达不到搅拌摩擦焊的优点。现在我们要想把搅拌摩擦焊搞清楚,就把整个摩擦焊接过程放在中子散射谱仪的空间里,然后一边做摩擦焊,一边来测量上面温度-应力的变化,由此来优化工艺,使得工艺能够达到目标。在美国的散裂中子源上,就是把搅拌摩擦焊机原位的直接的去做测试,不是小样品做理论研究,而是直接把这个过程拿上去做研究。在十多年前,德国的高铁出了一个重大的事故,原因是轮子的金属疲劳。瑞士PSI研究所的连续波散裂中子源就把整个的高铁的轮子放上去,研究在不同运行里程的轮子的金属疲劳、金属应力变化的情况,由此得到了轮子使用的管理规范,以及对它进行检测的手段,从那以后就没有再出现由于轮子金属疲劳带来的问题。还有一个,英国的实验室ISIS把空客A380飞机机翼放到谱仪里,一边焊接一边铆接,同时通过中子测量温度-应力的变化,大家知道,焊接或者铆接都是怕应力集中,通过这个过程,就能够清楚的知道,什么样的工艺能符合要求、是最佳状况。所以,这个也是英国散裂中子源对外介绍自己成功的例子之一。还有一个就是X射线和中子的波长与动量的关系,大家可以看到和物质的研究尺度相近的空间标度的中子的波长和能量,与我们研究的对象非常一致。所以我们用中子不仅可以研究物质的结构,还能够研究动态过程的激发能量,测量晶格的振动和扩散,这是别的测量方法做不到的。研究物质的结构,不同的尺度,不同的中子散射过程,比如说1pm到1nm用粉末衍射单晶的过程,0.1nm到100nm是反射到衍射的过程,1nm到0.5μm是小角衍射,还有超小角等。不同尺度的现象就是要用不同的中子谱仪去研究。

图2  不同的中子散射过程

用不同的中子的散射过程,可以研究不同时间和能量尺度上的运用,这是中子散射的优点。强流中子源有两类,一类是反应堆,一类是散裂中子源。相比之下,散裂中子源的一个特点是它形成非常短、非常强的脉冲,比如中国散裂中子源,它的脉冲是微秒量级的宽度,有利于我们测量,比如说用飞行时间法测量不同能区的中子所产生的反应。一个样品放在这个地方,中子来了,环绕着它的探测仪器在不同的时间段测到的中子,就是散射出来不同速度的中子,这样我们就可以很好的对它能谱做全面的研究。另外散裂中子源能量的能谱比反应堆的能量高得多,范围高得多,时间结构很好,功率很小,本底很小。最重要的是我们不使用核燃料,不是核装置。最后这一点也很重要,现在西方国家的反应堆大部分都慢慢到了使用年限,如果再要建新的,在西方国家很难找到一个地方能够建反应堆,比如说法国ILL,这是一个非常有名、非常成功的反应堆,它可能要在5年、8年内也要关门了,这都是很严重的问题。国内的研究型的反应堆,一个是原子能院的中国先进研究反应堆,它在好多年前就达到临界状态,但是由于种种原因,在去年12月份才通过验收,一直没有真正的开放。另一个是九院的绵阳反应堆。

2.中国散裂中子源(CSNS)

下面我就介绍一下中国散裂中子源。90年代后期方守贤、丁大钊提出来要建设一种多用途的强流质子装置,1999年我和原子能院赵志强联合向科技部提交建议,要建设散裂中子源。2000年,高能所就当时发展方向问题提出了中国高能物理和先进加速器发展目标,提出来建立多用途的强流质子脉冲装置,得到国家科教领导小组批准。国内也召开了香山会议,来推动这件事。

2002年、2003年高能所和物理所提出了散裂中子源的方案。它是由一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和三台中子谱仪组成。这里的一个关键技术是高频腔(RFQ),这是强流质子加速器的一个关键技术。实际上,RFQ是美国星球大战计划的时候发展的一个技术,它也是ADS的关键技术。CERN的SPS的高频腔要退下来,那个腔和功率源正好符合我们的要求,经联系,他们就免费把这个SPS的一套高频功率源、束调管、微波、调制器、变压器一起免费提供给了我们,这为下一步散裂中子源和ADS的工作提供了非常好的技术储备。现在我国已经可以生产RFQ,包括为国外的加速器做RFQ。上海的克林公司技术就做得很成熟了,高能所工厂也具备自己加工RFQ的条件,ADS备用的第二个RFQ就是我们高能所工厂生产的。

后面就是漂移管加速器,我们所原来在35MeV质子直线加速器上发展了这个技术,在这个基础上又进一步发展。漂移管加速器把质子加速到80MeV,然后注入到快循环同步加速器,每一秒钟25Hz,能量提到1.6GeV,质子出来后就去打靶,第一阶段打靶功率100KW。二期我们在加速器后面加一段超导,把质子能量提高到250MeV,这样我们就能够把功率提到500KW、600KW,甚至于更高。由于我们是25 Hz,那我们就能做到每一个脉冲的中子数还是比较高的,这样我们就能用比较少的造价得到比较高性能的散裂中子源。

散裂中子源的选址得到了广东省和科学院的大力支持,最后定在广东省东莞市。应该讲这个布局对珠三角地区的发展、粤港澳大湾区的建设是非常重要的。广东省和东莞市为中国散裂中子源的建设给予了大量的人力物力支持。

另一方面,应该讲,高能所负责在东莞建设散裂中子源有很多困难。但我们采取了一个比较好的机制,就是说不是建立一个新的研究所,而是高能所的分部。我个人认为,这点很重要。如果是建立一个新所,第一,高能所就会认为将来这个单位会与高能所竞争人才、项目、经费,就是两家人了。不是一家人,就不会全心全意的去建好这个单位。而如果没有高能所全力的支持,这么复杂的一个强流质子加速器也是建不好的,必须要北京这边当做自己的事情来做,才做得好。第二,如果说分割开了,举个例子,等到散裂中子源建成了,短期内没有散裂中子源进一步改造升级的任务,人闲在那里,技术会退化,人心会不稳,各种各样的问题都有。而采取分部的方式,散裂中子源的人员可以继续建设谱仪,加速器的人可以参加北京光源的任务。所以,两边合起来,这样一种方式,我们认为是一种最佳的发展方式。

尽管如此,我们还是面临许多困难。许多技术骨干,家在北京,上有老人需要照顾,下有子女要上学。但是在地方政府的支持之下,工程技术人员和管理人员继承了高能所好的传统,科学院在那里给了我们400个事业编制,我们克服了许多困难,完成了建设任务。

下面说一下中国散裂中子源的几个里程碑。2011年9月份高能所拿到了开工报告的批复。2011年9月份开始设备加工与制造,2011年10月份奠基典礼,2012年5月份开始了土建工作,一直到2016年3月份完成。按照计划,2017年9月份实现第一束中子束流,实际上8月就做到了,11月份就达到了设计指标的要求。我们这个月(2018年3月)工程竣工。接着要按照国家的规定要求,准备国家验收。

图3  中国散裂中子源航拍图

图3是去年8月份航拍拍的,这个图给人的感觉是太完美了。这里面有核心区域和通用设备区域、直线加速器、地面设备大厅、控制、束测、靶站实验大厅、测试大厅、实验室、办公楼等等。虽然占地400亩,但部分是山坡,没法使用。

关于我们的设计指标和验收指标。一方面是设计方案和指标要达到国际先进水平,又能用成熟技术保证装置运行的可靠性,我们只有十几亿人民币的项目经费,所以必须要国产化,而且国产化以后有很多好处,我们现在国产化率超过90%,这个应该说在国内的大装置上是名列前茅,几乎所有的东西都是我们自己造的,进口的主要就是速调管和陶瓷真空盒,一些电子学插件盒集成电路等等。若把这个装置直接升到500KW,我们是25Hz,每个脉冲的中子数就进入世界前列了。为了实现这一点,在经费非常紧张的情况下,我们就把直线加速器的隧道预先修好了,环的空间和环的主要设备,都能够适应500KW功率的要求。设计的靶站改造后也能够做到500KW功率。所有的辐射屏蔽防护、冷却系统也都是按照500KW功率设计的,这样就能够保证我们将来能够以很低的代价把打靶功率提升到500KW。我们的验收指标当时标的比较低。现在我们已经远远超过了这个指标,比如中子的效率我们可以达到验收指标的100倍。

我们有20个谱仪通道,现在只修了3台谱仪。20台谱仪或者3台谱仪,加速器运行的费用是一样的,打靶出来的中子分布是固定的,所以我们仅仅利用了打靶出来的中子的4%,原因是经费严重的不足。中央区域是国家的钱修的,所以经费的压力特别大,连修个电梯的钱都没有。周围办公室是地方政府出钱修的,所以我们可以修电梯。

我们还有直线加速器、RFQ、环的隧道、靶站等区域。现在调试都是比预期的要顺利,2017年8月28日,我们第一束打靶就得到了非常好的成绩,和预期的完全一样。我们采取了各种各样的措施,克服了南方雨水多,地质条件复杂带来的许多困难,把耽误的时间全部都追回来了。这也体现了高能所好的传统,我们有大概七八十人常驻在东莞,带动新招聘的300多人,能够把高能所好的传统带过去。

图4  中国散裂中子源内部

下面介绍一下谱仪,中子谱仪有通用粉末衍射谱仪,多功能反射谱仪,小角衍射谱仪等。通用粉末衍射谱仪是研究凝聚态中原子空间结构排列的重要手段,包括锂电池的研究。国外在这方面做的一项很重要的研究就是锂电池,我们在日本散裂中子源见到日本的几个大公司联合组建了一个锂电池联盟,就是把汽车的锂电池整套的加上充放电的装置放在里面,一边充放电,一边测量电极和电解液的变化,由此来优化锂电池的设计。当时我们想的是保证下面500KW很快上,谱仪可以慢慢造,但是现在看来根据国家的战略需求,我们还需要一番努力。多功能反射仪,主要是做薄膜研究的,包括磁性薄膜等。还有小角衍射谱仪,也都是应用非常广泛的。

关于CSNS的进展,昨天晚上加速器已经到了20KW,我们这个装置稳定运行50KW没有问题,将来会很快超过100KW的设计指标,争取200KW, 200KW的靶已经都做好了。我们中子的产额比设计的高50%,主要是因为我们优化了整个靶站的设计,做的更紧凑,各方面更合理,这是非常重要的,这些都与理论的计算完全一致,性能非常好。三个谱仪都得到了数据,数据的标定和监测都符合要求。除夕的前一天完成了首个样品的实验,结果非常好。

对于强流质子加速器来说,达到这个功率不是太难,真正难的是长期稳定运行,比如说RFQ的稳定性,DTL漂移管加速器的稳定性,这是一个薄弱环节,经常会出问题,而且控制系统中任何一个问题导致的后果都是可怕的。还有,强流质子加速器最重要的一个问题是控制束流损失,也就是说,让它通是好通的,但是如果束流损失太大,发射度太高,在运行的过程中把整个周围的设备都活化了,要去维修必须等很久,二十多年前CERN的PS出现过一个事故,等了3个星期,人才能靠近。所以我们在春节前,虽然指标是能达到了,但关键是要稳定可靠的运行。CSNS是用户装置,必须要做到这一点。大家继承北京BEPC传统,春节不放假,继续调试运行,轮流值班。所有关键的技术骨干都留在那边。大家没有怨言,都很愉快的值班。我自己感觉,现在这支队伍素质还是很不错的,成长的很快,能够把高能所这边好的传统带过去,造这么大的一个工程,没有发生激烈的扯皮吵架。大家都还是很配合,很和谐,发展得很快。特别像谱仪,我们本身技术比较差,很快人员就带起来了。我认为这是对将来长远的发展最重要的一件事。

还有一个,就是白光中子源,加速器环到靶站的输运线,进去之前拐了一个弯,怕反冲的中子损害输运线的设备,后来我们就沿着反冲的方向修一个实验厅,让它得到反冲的中子,高的能量可以到百兆,从高到低什么能区都有,所以把它叫做白光中子源,这完全是在经费非常紧张的情况下,把它建起来了。

未来的发展一个是新建谱仪,有一部分是用户谱仪,有一部分希望国家能投资建谱仪。现在已经有这么几台用户谱仪,一个是东莞理工学院以及香港城市大学,主要是后者有一个系主任在美国散裂中子源做谱仪做的非常好,会来做一个谱仪;南方科技大学,北大深圳研究生院,材料基因研究院,还有工信部五所,都在合作做谱仪。然后是功率升级,最快的升级就是在快循环加速器增加二次谐波腔,这样就可以把功率提高到200KW,其他的都不动。功率大了,就能够缩短实验时间。提高性噪比。还有一个是满足快速表征需要,可以测更小样品,比如说很多生物蛋白质的样品没办法测,或者是你想研究动态的过程,比如说化学催化剂的过程,催化剂的原位研究必须要用高温高压容器来模拟,来体现原位的化学反应。如果中子流强不够,表征时间太长,就没有办法跟踪化学反应的速度。长远来讲,我们要把直线提到300MeV,加一些升级,做到500KW,甚至更高。

目前来看,散裂中子源会成为粤港澳大湾区核心的大科学装置,广东省建“广东省材料科学重点实验室”,还有广深科技走廊在我们那里建中子科学园,另外,深圳有材料基因组的平台等等未来谱仪的规划。还有一点,我们散裂中子源吸引了大批人才,比如说澳大利亚散裂中子源三个专家,他们全部都到了汕头以色列理工学院。美国散裂中子源来了大概五六位都是很有经验的人,他们愿意来,都是瞄准了我们散裂中子源。周围的大学,比如说中山大学、华南理工、南方科技大学等等,也吸引了国内外大批的优秀的人才,应该说我们散裂中子源起到很大的作用。

3.结束语

结束语我就不讲了,最后我想说散裂中子源的成功建设,是高能所的又一次辉煌,也是高能所几代人包括现在离退休的同志的奋斗结晶,既是技术的结晶,也是高能所好的传统的结晶,所以我也想借这个机会,衷心的感谢全所同志的支持和奉献,包括离退休同志的支持和奉献,谢谢大家。

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【交流与讨论】

 

姜焕清:刚才陈和生院士做了内容很丰富的报告,下面还有点时间,咱们大家畅所欲言,有什么想法和建议都可以发表。

桂文庄:刚才陈院士的报告非常精彩,他提到散裂中子源是高能所的又一次辉煌,这个评价是很高的。确实是这样,应该是实至名归。我在想,在这个大科学工程里边,我们高能所在关键技术的突破上,有哪些非常重要的突出的东西?

陈和生:我刚才忘了说,物理所也是做了贡献的,他们是属于合作单位,他们在中子散射方面应该说比我们有经验要多。那么我们的突破是什么呢?首先是强流质子加速器,对于未来粒子物理的研究,如中微子、ADS加速器驱动临界系统都是非常重要的。过去中国没有这样的强流质子加速器,应该说对我们国家今后相关领域的发展非常重要。至于这个技术里的很多点,如国产设备做到90%了,这是非常少有的,而且合作的单位他们都感觉到承担我们任务的压力非常大,虽然他们感觉到,承担的单位不一定赚钱,但对他们的技术起了很大的推动作用,对他们的管理也有很大的推动。如南京晨光集团,从管理系统到技术,他们表示整体上都是非常大的推动。具体到强流的磁铁、电流、真空,这些都是非常大的提升,做靶的是北京钢铁研究院,现在又承担欧洲散裂中子源的靶的建造,推动也是非常大的。刚才我说的还有中子导管,特殊的镀膜等等,技术也在推动,这些应该讲是对国内的高技术发展有非常大的作用。

厉光烈:那美国在散裂中子源方面后续的研究情况怎么样?

陈和生:因为时间关系我简单讲一下,后来美国IPNS已经关门了,它新修了一个美国散裂中子源,14亿美元,在橡树岭实验室。它的设计功率是1.4兆瓦,现在看来,我们有后发优势。我刚才没有细讲水冷的钨靶。日本和美国用的水银靶,结果现在看来问题都很多,美国的散裂中子源每个季度都要换一个靶,现在已经换了20多个靶了。日本的靶设计是1兆瓦,实际上到了300多千瓦靶就不行了。所以它现在就始终没有达到设计要求,我们现在看来,选用钨靶是正确的选择,使得我们可以长期稳定可靠的运行,从英国的经验看,用钨靶五年八年都没有问题的。

童国梁:听了高能所分部的工作,印象很深,我们高能所在好多地方都做了很大贡献。我认为,做成功了,怎么发挥更大作用,是很重要的。这次沙龙我很有收获。另外想提两个问题,第一个,我们中子源很重要的用处是对材料做研究,那么散裂中子源中子打到材料上,做分析的时候,要对每一个中子都探测吗?

陈和生:有的可以,有的是完全不需要,要看不同类型的实验的考虑。如像刚才列举的过程,有的需要飞行时间法测中子的动量,有的不需要。

童国梁:那是说,分析的时候需要的话,就要知道每个中子的能量。

陈和生:对,它有飞行时间法。

童国梁:第二个问题是与同步辐射比,它的难度在哪?到500KW时,流强也很大了。

陈和生:同步辐射光的强度增加的也非常快,散裂中子源的流强低,测量起来也困难,到500KW,流强比同步辐射光还是要低几个数量级,这个是自然规律所决定的,再一个是探测效率,探测光子,比如说用硅探测器,探测中子效率是比较低的,这就是为什么它现在没有同步辐射光源流行的原因。同步辐射光源全世界有七、八十台,散裂中子源,我们现在是国际上第四台,这个价钱高,技术复杂,做实验困难,所以我们是发展中国家第一台。

徐中雄:有充足的运行经费十分重要,特别是地方政府的资金很重要。CSNS要尽快发挥它的应用能力,不仅是调试束流强度达到设计指标,还要考虑把目前仅有的3条光束线尽早地扩展到18条,这样才能充分发挥CNSN的大科研平台的作用。新的光束线和探测器要尽早启动,这就涉及到资金来源问题,有了充足的运行经费,可以招募科研人才,可以启动新探测器的早期调研工作。

陈仁怀:刚才的报告,国产化率90%,用户做实验,样品他们自己准备,让他们免费使用还是怎么收费?

陈和生:和北京同步辐射一样的原则,不收钱。除非是商业秘密,但现在真正的工业用户还是很少,这个就不会收费。

李建国:用了多少个速调管?

陈和生:4个,结果4个返修了5次,后来没有办法我们买了两个日本东芝的,很顺利的就上去了。原来BEPC直线的速调管是4404厂制造的,现在搬到湖北孝感去了,我们这些年费了很大的力气,在那里弄了一个院士工作站,它才能够做到我们BEPC直线要求的速调管要求,接近于国外的水平。但是我们现在散裂中子源对速调管的要求更高。当初选择的时候,世界上就两家,一家是日本,一家就是美国,我们是希望国内能够发展,但是现在缺口很大。现在一个是速调管,还有一个是陶瓷真空盒,原来全部是进口,后来孝感做了直的陶瓷真空盒的,二极铁内的弧形陶瓷真空盒还是需要买进口的,但是进口的也降价降了一半,他们也知道如果再那么高价,我们中国人就会自己研究去做了。自己能做肯定是非常好的,但是现在由于速调管市场比较小,企业的积极性也不高。

李建国:企业不愿意做是因为用量太少。在加速器领域目前用的高频大功率源,都是近几年在广播电视和雷达领域几乎已经完全淘汰了的(以前用的全是)陶瓷密封的金属束射四级管(频率在300兆周以下)和速调管以及行波管(频率在300兆周以上)。随着技术的进步,高频和超高频大功率晶体管放大器的出现,在以上领域完全被晶体固态放大器所取代。而广播电视和雷达领域里的高频功率源比用在加速器领域的性能指标要高得多,因此现在若建造适合加速器高频功率源,造价也会低的多,而寿命要高得多。阮倜在法国的工作,已经证明了这一点。当时的技术条件比现在要差得多。只是在加速器领域没人去关注这件事。这样下去,在加速器领域用的高频大功率源会更困难。

再补充一点,大约频率在300兆周到500兆周这个频率范围内的大功率源,对陶瓷密封金属束射四级管,频率太高,制造难度大;而速调管,在这个频率范围内的体积太大,也有很多问题。晶体管固态放大器是替代它的最佳选择。我觉得也是个方向。

姜焕清:质子束流的能量分辨是多少?

陈和生:确切的数字我不记得,因为打靶以后产生中子。我们关心的是能放多大面积,应该说还是能散度比较好的。如果说你能量的能散度太多了,就跑出乱七八糟的了。

姜焕清:几年前我就呼吁,对于不同能量的质子打靶后,产生的中子的能谱和角度分布,应该有自己的数据。过去我们没有实验条件,只能靠国外的数据。现在我们有了1.6GeV的质子束流,如果能量分辨率能够达到,是不是考虑用我们的束流,对各种靶材料进行一些基础性的实验研究,得到第一手的数据,开展一些基础性的研究。对反应机制了解得比较清楚了,将来对散裂靶设计、ADS研究,都是非常有用的。过去我们没有实验条件,现在有了条件,如果能够做研究,我觉得很值得在这方面去推动一点,去做这个研究。我们自己没有这方面的数据支持的话,想有自己的创新,那是不可能的。那我们怎么能创新呢?我觉得在基础研究方面我们应该加强。

厉光烈:国外这方面的调研有没有做过?有没有公开?

姜焕清:国外的调研肯定做了,但我们要有我们自己的东西,要有我们自己的关键的数据。

陈和生:我们散裂中子源留了好多空间,因为基础研究、材料研究,也是用处非常大的,那么这些我们都预留了可能性,所以欢迎大家提出这方面的物理问题。而且关于中子本身的基础处理参数,也考虑建议这方面的事情,我想从目前来讲,对于一些基础物理方面的建议,要是要求太高、投入太大,我们做不到;但是如果现有的能够考虑的,我们也愿意支持。

朱爱民:广东为我们这个项目提供了大量的资金和便利,目前来说和未来这个装置会给广东省当地带来什么影响?

陈和生:我想主要从基础研究和应用基础研究的角度,要想成立一个科创中心或者粤港澳大湾区的科创中心,它是比较强调产业的,那么这样的中心必须有大科学装置来推动。

张长春:散裂中子源实验基地,不宜建成旅游的圣地,绝对不行。凡是加速器实验场所,开机状态下、特定屏蔽范围内,都有强的粒子射线放射性,属于危险区域,有严格的准出入管理规定。即使是实验工作人员,出入该区域,都需随身携带放射性检测卡,用于测试累积的放射性剂量,确保人身安全。在特定禁区,如有人逗留,安全保护系统,将自动切断“加速器开机许可”。

同高能物理所正负电子对撞机一样,散裂中子源,几乎不产生长寿命放射性物质,不会造成环境的放射性污染。加速器关机的条件下,允许每年举行开放日活动,定期面向社会(政府、企业、学校等)广泛宣传科普知识。而且,在开机(限定区域)条件下,不定期地举行专业应用推介、研讨会,有选择地面向(尤其是,有专业应用需求的)大学、研究机构、国家级大型企业,报告散裂中子源的重要应用前景与国际研究现状,组织参观,也是可行与可取的。

中国的散裂中子源,从无到有,是个重要的改变。因这个改变,我们能有刚才老姜所说的实验数据。这些数据有知识产权的属性、具有一定的保密性。低能核物理数据,涉及核燃料的洁净处理,人家不会给的,特别是在当前国际态势发生变更的情况下。80年代,美国Mark3探测器设计图纸、高能物理应用软件,无偿提供,完全透明。之后30余年,中国高能物理加速器与探测器设计与建造技术,以及高能物理实验研究,进入了一个快速发展的时期。但是,散裂中子源的实验技术及其应用研究,想重新延续这条路,太难了,是不切实际的。

中国的散裂中子源,从无到有,创造了一次新的辉煌,我完全同意这一提法。探测器,是观察微观现象的眼睛。我们必须马不停蹄,利用高通量、脉冲中子束流,开展基础科学与材料应用研究的同时,同大学、研究机构以及国家级企业合作,不断完善与建立一套通用的实验测试系统,包括先进的谱仪、衍射仪等。

这是一项宏伟的科学工程,涉及规划、经费、技术创新,以及多学科、跨行业、前沿性高科技领域的广泛合作;此外,还有一个立项管理、研究梯队的建设问题。基于散裂中子源的核科学领域,基础性实验数据,要靠我们自己测试与积累,这一点,需予以重视与经费支持。有创新思维的课题,即使经验少、起点低,也应鼓励、并借助国内跨领域的优势合作,攻关突破。这项工程,无论在材料、医学、生命等学科的基础理论研究中,还是在航天器件、军用核材料制备等领域,都具有不可低估的重要意义。

建议:把散裂中子源及其应用列为国家级科学工程项目。过去三十多年,改革开放、发展经济是国家战略,有了经济基础,才能做其它事情。这项科学项目,不可能靠别人帮忙,现在没人帮你的。苏联垮了之后,我们的人到西欧国家访问,人家会问:你来干什么?上世纪七十年代末,德国非常友好,愿意同中国合作。现在情况变了。散裂中子源这个项目,不光有材料学,还跟航天、精密仪器、军事有关系。为高效搞好这个项目,必须用国家级力量,统筹设计。

据说,有经济实力的省份,积极性挺高,有经费支持意向。国家为主与地方为辅相结合,实施两级管理与经费支持,是一种可尝试的模式。但是,我们必须清醒地认识到,散裂中子源科学工程,推动的是应用相关课题的基础科学理论发展,因而,着眼于长期科学发展前景;同时,又同航天器件、飞机发动机、军用核材料、生命等未来科学发展密切相关。总之,它属于国家级高科技发展项目,其经济效益,作为可能的副产品,不是主要目标。其二,出现多省份重复设置同类国家级重大科学工程项目,将会造成有限顶尖人才的分散、经费的重复耗费,事倍功半。

姜焕清:大家还有很多的问题,但由于时间关系,我们发言就到这儿了,今天陈和生院士给我们做了很好的报告,大家做了很好的讨论,最后我们请院老科协副理事长桂文庄讲话。

桂文庄:今天非常有幸参加高能所分会的沙龙活动,我觉得非常荣幸。这个沙龙是高能所老科协今年举办的第一个学术沙龙,而且请到了陈和生院士做了非常前沿的精彩报告,首先感谢陈和生院士对我们老科协工作的支持。去年我记得也是差不多3月份,天文台举办的一个沙龙,一个大科学工程,它的工程建设的能力和水平也是非常令人敬仰的。今年我们第一个沙龙,又是一个大科学工程,我觉得这些大科学工程,确实代表了我们国家在大型科学装置、精密设备的制造工艺上的飞跃,很了不起。像今天陈院士讲到的,我们这样一个装置,花的钱和国际上相比,是几分之一,但我们在工艺上一点都不差。调试、打靶一次性就成功了,很快,人家花了十几天,我们花了一天的时间,所以这些东西都反映了我们在工程的严格管理,在制造的工艺水平,在我们尤其是今天谈到的工程里头90%都是我们国家自主,了不起,说明我们国家在制造上的提升。其实这些年来,大家一直在讨论这些问题,就是一个国家的能力在什么地方?基础实际上是制造。而现在讲“互联网+”讲各方面的应用非常重要,但所有的落实,都落实到你的制造上。所以我觉得我们这些制造,虽然是在大型的精密的科学仪器上,但它会带动我们整个产业的提升和发展,这个工作是不可小觑的。应该说这是我国了不起的高水平的制造典范。

我想这一方面反映了我们高能所的能力,也反映了我们在管理上的工程。这个传统在不断发展,现在上到了更高水平,我确实感觉到,陈院士说的这个话:散裂中子源它的建设成功,是我们高能所在工程上的又一次辉煌。绝对是了不起的一件事儿。今天陈院士讲到了散裂中子源能做到哪些别人做不了的事情,建设很难,使用起来也很难,建设那么多不同的靶,需要不同的技术去实现它的实验,那么这些工作,后头还有大量的工作,不仅需要国家的支持,经费上的支持,更重要的是需要培养出来使用这些工具的队伍,我觉得啊,这点确实是需要很好的去盘算一下,今后如何去发展?另外需要有一个很好的科普。我觉得我们要做好这个科普和宣传工作,这非常重要,也让老百姓知道你能干什么,让领导更深入的了解你能干什么,要宣传,要会讲故事,当然我们不是吹牛啊,不是说什么东西忽悠领导,而真正的从科学的、实事求是的态度来说明我们这个东西,将来它有什么样的重要的应用前景,将来怎么发展,会给我们国家带来什么好处,这个事情我觉得是下一步我们要做好的事情,我们也希望老科协能够为宣传大科学工程方面多做一些事情。

我希望咱们学术沙龙能够越办越好,能够把专家们的学术生活,能够为国家的科学发展,积极贡献自己的智慧吧,也希望通过学术沙龙能够使我们老同志和年轻的同志有充分的交流,这样促进我们整个技术的发展,也促进我们研究所、我们院在科学技术上的发展。总之今天的沙龙非常好,我是非常感谢大家,谢谢。

姜焕清:这是我们第一次举办沙龙活动,也没什么经验,今天报告很精彩,大家围绕这个问题发表了很好的意见,讨论的时间短了一点,我们争取下次沙龙办得更好一点。感谢陈和生院士在这么忙的时候抽出时间给我们做报告,也感谢在座各位积极的参加、发表意见,特别感谢桂文庄局长给我们做出的指示,希望我们老科协的工作越办越好吧,谢谢大家!

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