松山湖打造科学里程碑 揭秘中国散裂中子源

中国散裂中子源CSNS坐落于广东省东莞大朗镇，由中国科学院和广东省共同建造。目前，全球建成的散裂中子源装置仅有4台，其他三个分别是英国散裂中子源ISIS，美国散裂中子源SNS，日本散裂中子源J-PARC。中国散裂中子源是发展中国家的第一台散裂中子源，跻身世界四大脉冲散裂中子源行列。

 图片来源：幸福松山湖

听到这里，大家可能还有点懵，散裂中子源到底是什么东西？有什么作用？跟我们有什么样的关系？老牛查阅了大量资料，一起揭秘这台位于地下18米的“超级显微镜”。

散裂中子源 是什么？

当一束中子入射到研究对象时，与材料中的原子核或磁矩发生相互作用，被散射出来，通过测量散射出来的中子动量的变化，就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律，从而知道原子分子在哪里，在做什么，这就是用中子看世界的方式，这种研究手段就叫做中子散射技术。

要实现中子散射技术，我们需要用大型加速器的高能质子轰击重金属靶，引起金属原子的散裂反应，释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流与样品发生散射，最后由中子散射谱仪接收，科研人员根据中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征。通俗点说，散裂中子源就像一台‘超级显微镜’，可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构。”

举个我们经常遇到的问题，“为什么手机电池用着用着就不耐用了？”这个问题提出来很简单，答案也就在电池里。

锂离子电池的衰减涉及电池工作中很多的微观过程。比如，每一次充放电都会对电极材料造成纳米级的微观结构破坏，这些损伤渐渐累积，就会造成电极性能的衰减。而电池里的电化学反应稍纵即逝，暴露在空气中还会与氧气和水分发生反应……实际使用中的电池又与拆开检测的电池有着很大不同……所有这些，都是探寻真相的阻碍。

这还只是一块电池。想象一下，如果是电动车里组装在一起的几千块电池……

假如有那么一台“超级显微镜”，能实时监测一辆“行驶”中的电动车，在纳米级别“亲眼看看”充放电过程对电极材料微观结构的损伤，那对电池技术的发展必然会起到巨大的推动作用……而散列中子源，就是这么一台“超级显微镜”。

散裂中子源装置长啥样？

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，技术复杂，造价也非常高。

中国散裂中子源规划用地1000亩，首期用地400亩。项目预计总投资为23亿元人民币（其中国家批复投资18.8亿元）。我们一眼看过去以为只是几栋银灰色的建筑物，其实真正的“奥秘”地下，隧道内装置建在13米到18米深的地下，主要建设内容包括1台负氢离子直线加速器、1台质子同步加速器、两条束流运输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。

 图片来源：幸福松山湖

散裂中子源规划有20个谱仪的接口，首期因为经费原因，一期工程中子谱仪数量仅有3台，未来东莞理工学院将牵头拟建1台多物理谱仪；东莞材料基因高等研究院拟建1台材料谱仪；南方科技大学准备筹建1台高压谱仪；工信部五所拟建1台大气中子谱仪，将来最多可建到20台中子谱仪，二期工程将持续新建谱仪和将束流功率从100千瓦升级到500千瓦。

 中国散裂中子源漂移管直线加速器  来源：中科院高能所

散裂中子源装置有什么用？

散裂中子源可以产生强脉冲中子，通过测量中子束流在样品的散射反应过程，探测样品原子核的位置和运动状况，因此，在材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景。

1998年6月，德国一辆城际快车意外出轨，最后查出事故元凶竟然是老化的车轮。车轮是在英国散裂中子源上检测的，发现其中有内部裂痕。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，优化机械加工工艺，使高铁和飞机变得更安全舒适。

中国散裂中子源靶站 来源：中科院高能所

大家都很关心的国产航空发动机，有一个大的问题就是安装发动机叶片的涡轮盘。涡轮盘每分钟几万转，上面的残余应力是影响发动机寿命和推力等性能的主要障碍。这些残余应力，只有用中子散射才能测量得到。但这是整个航空发动机非常核心的工件，不能拿到国外去测。

散裂中子源技术在生物、生命、医药等研究领域也发挥着X射线无法替代的作用。例如，散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究，已在许多发达国家得到应用。还有，在新型清洁能源可燃冰的开发利用中，散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件。

可燃冰和储氢材料、电动环保汽车电池、骨胶、新药、阿尔兹海默症的治疗手段、基因治疗的新方法、人类基因图、DNA和蛋白质的精细结构、巨阻磁性存储材料、高效的燃油添加剂，甚至新的考古发现，都是中国散裂中子源在未来可预期的研究产出。

散裂中子源装置对于粤港澳大湾区的意义

大型科学装置建设周期很长，至少10年甚至更长，现在形势下，大力推进大科学装置建设，是建设科创中心的一个关键手段，不少省市是现在开始筹备，广东省在10年前就作出决定和部署，正好这个时间建成，将为珠三角的科技创新提供有力支持。从发达国家的实践经验来看，以大科学工程为核心的科学园区，前沿基础研究和高技术作为发动机和火车头，将逐渐成为区域创新高地和经济增长极，对周边地区的经济、产业发展的辐射和拉动效应，实践越久、范围越大、作用越显著。  

散裂中子源建设过程中，质子加速器、靶站、中子谱仪的建设，都涉及大量具有战略意义的高技术，这些技术难关需要中国最高水平的科研力量携手攻克。所以，该项目将吸引大批世界级的科学家前来进行科研活动，建成后将吸引国内外逾600名专家学者汇聚东莞搞研究。

广东省与中科院首批确定的合作项目共27个，主要集中在大科学基础设施、大科学工程建设、新型研发机构、重大科技成果转化应用等方面，将大力提升广东基础和应用基础研究能力，推动重大科研任务与成果落地转化，推进粤港澳大湾区国际科技创新中心建设。

为何选址在东莞？

中国散裂中子源从2005年、2006年就开始选址，从北京一直到广东，最开始圈定在广州、珠海和东莞三个当中，最终中科院选择了东莞，开启了散裂中子源的建设之路。

选址在广东，主要由以下因素的考量。

1、这是首次在华南地区建设大科学装置，优化我国大科学装置的布局，增强华南区域的科研创新能力；

2、将中国科学院在基础科学研究、应用基础研究和高技术研发方面的雄厚实力，与珠三角地区强劲的经济实力相结合，推动广东各市在大科学装置上开展基础科学和应用科学研究，提高技术研发水平，促进经济转型。

选址在东莞，主要有以下原因：

1、东莞地理位置优越，处于广州、深圳、香港、澳门等城市的中心，同时面向东南亚等海外用户，扩展性强；

2、东莞最初推荐的地点是松山湖，但由于地基不合适，且发展空间受到制约，而后经过多番考察，最终选择了松山湖南部区域附近的大朗镇水平村。该区域具有稳定、可承重的地质结构，具体到选址地，东、西、南三面为丘陵，符合建设散裂中子源的要求。例如靶站地基年不均匀沉降率不超过0.2mm，这是此类大科学装置的必备条件。

3、中国散裂中子坐落在制造业名城东莞，与制造业紧密结合。这是其他三大散裂中子源所不具备的优势。

目前，东莞拥有国家高新技术企业2028家，数量居全省地级市首位；累计引进省市创新科研团队58个，创新创业领军人才55个，其中省创新科研团队数量稳居全省地级市首位，全市拥有国内有效发明专利量为13319件，位居全省地级市首位。

2017年上半年东莞市高技术制造业完成工业增加值604.59亿元，同比增长21.4%，占全市规模以上工业增加值比重达39.3%。2016年全市R&D占GDP比重达2.41%，同比增长0.05个百分点，排名全省第三。东莞的创新综合实力不断增强，产业高级化发展态势明显。

东莞在行动：打造科创中心　　

粤港澳交叉科学中心

11月24日，以中国科学院物理所为牵头单位、以东莞市政府、中科院高能物理研究所为共建单位的松山湖材料实验室正式挂牌成立粤港澳交叉科学中心。作为展示中国基础科学领域对外开放和前沿科学交流的窗口，交叉中心以东莞为辐射中心，最终将发展成为一个世界级的学术交流中心，促进材料科学与相关交叉学科的发展，并为创新性学术思想的诞生做出贡献。 

图片来源：中科院物理所

南方光源项目

11月18日，中国科学院与广东省政府关于《共同推进粤港澳大湾区国际科技创新中心建设合作协议》签约仪式在广州举行。会上中科院高能所与东莞市政府签署了《关于推进南方光源重大科技基础设施建设合作协议》，共同推进南方光源项目规划建设，为粤港澳大湾区打造国际科技创新中心提供重要战略支撑。

据了解，南方光源项目所采用的同步辐射光源，与散裂中子源都是观察物质微观结构的手段，都是多学科交叉，多手段验证，二者应用上具有互补性。虽然两大装置都能单独运行和使用，但是两者建造在一起所产生的集聚效应更为突出。

图片来源：中科院高能所

松山湖材料实验室

松山湖材料实验室由中国科学院物理研究所牵头，围绕中国散裂中子源、拟新建设南方光源、极端材料环境设施三大科学装置，使得实验室将来可以达到世界上最高的压力、最低的温度、最强的场、最大的变形，这种极端环境有利于做出更多的新材料。”

未来，材料实验室将布局大科学装置，前沿研究、公共技术平台、创新样板工厂四大核心板块，粤港澳交叉科学中心及成果转移转化中心，将形成“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”的全链条研究模式。

目前该实验室已有来自麻省理工学院、牛津大学、香港科技大学等10多个研发团队进驻，对高端科学家的“磁场效应”开始显现。

东莞市委书记：打通东莞中子科学城和深圳光明科学城

以中国散裂中子源为核心，东莞还正在高标准规划建设中子科学城，同时引入同步辐射光源等一批大科学装置，将建设成为珠三角大装置集群核心。

东莞中子科学城规划范围，由松山湖南部片区、大朗象山片区、散裂中子源及生态绿地等三部分构成，总面积约为45.7平方公里。

松山湖南部片区：北、西至松木山水库岸线，南至松山湖园区边界线，东至莞深高速，现状主要以总部基地和研发用地为主，总面积约8.9平方公里。

大朗象山片区：环湖路、虎岗高速、莞深高速围合的地区，现状主要以旧村和旧厂房为主，总面积约为11.8平方公里。

散裂中子源及生态绿地：为虎岗高速以南、巍峨山以北地区，现状以大科学装置及生态山林为主，总面积约25平方公里。

中子科学城位于东莞松山湖南部与大朗交界处，距离光明新区的深圳科学城仅9公里。

东莞市委书记梁维东：“我们初步勾勒出一个计划，打通中子科学城和深圳光明新区科学城之间的隧道，将这个地带打造成国家级的大科学装置和高端研发的策源地，推动国内外科技创新成果实现产业化。”

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