散裂中子源：给科学再添新翼

　　它是“十一五”期间投资最大的大科学装置，总投资12亿元。

　　它是中国迫切需要建设的大科学平台，是目前世界上研究物质微观结构最重要的科学设施之一。它的建成，将对中国科学家创新性研究的影响“不可估量”。

　　中科院有关负责人士告诉记者：这台名为“散裂中子源”的大科学装置，如今前期

　　21世纪科学研究必备

　　建造高性能的散裂中子源，早已成为当今发达国家提升科技创新能力的重要手段。

　　“在它的帮助下，我国在物理学、化学以及21世纪最有生命力、最活跃的学科，如生命科学、材料科学、纳米科学、医药、新能源开发和一些工程技术应用领域都可能取得‘不可估量’的进步，很多过去无法涉足的研究和应用领域也能得以开展。”中国科学院基础科学局局长、中国科学院院士张杰，在中科院高能物理研究所的会议室里接受了记者的采访。这个研究所，是目前我国规模最大的大科学装置———北京正负电子对撞机的建设单位，同时也是负责设计建造散裂中子源的单位之一。

　　究竟什么是散裂中子源？张杰用笔记本电脑打开了一个散裂中子源构造设计的动画演示，基本构造一目了然———质子通过大型加速器获得高能量后，轰击重金属靶，将重金属的原子核打碎发生散裂，从而将中子从原子核内赶出来，每个高能量的质子可以赶出20到30个中子，瞬间就会形成非常强的中子束流，中子慢化后与样品发生散射，由中子散射谱仪接收。科研人员则利用中子谱仪研究样品最本质的结构细节和动力学性质。

　　“中子的特性决定了它是研究物质微观结构的理想探针。比如，中子波长与物质中原子间距相近，是度量物质微观结构最适合的标尺；比如，中子穿透性极强，使得它在多种极端条件下探测样品都成为可能；比如，中子的固有磁矩是揭示材料微观磁结构和磁涨落的强有力手段……”

　　要利用这“神奇”的中子研究物质微观结构，就需要高通量的中子源。张杰说，除了基于质子加速器的散裂中子源，目前还有基于反应堆的中子源。相较而言，散裂中子源具有一些独特而优异的性能，如更高的有效中子通量、丰富的高能短波长中子、高信噪比、低放热量、无需使用核原料、不产生强放射性核废料等。

　　这个大科学装置预计在2012年建成。建成后，“在发现新型高温超导材料、形成氢离子运动的凝聚态物理新理论、DNA分子识别的纳米自组装、蛋白质相互作用等一系列领域，我国都有望获得重大突破；在散裂中子源这个平台上，每年将有上千研究人员利用不同的谱仪互相交流协调、启发借鉴，不同学科也有机会实现渗透、交叉，开辟新领域，创建新学科；在工农业生产领域中，许多问题如研究石油输油管线裂纹的成因、测量飞机涡轮的叶片与轮盘的焊接应力、研究大豆根系的生长等，也能在散裂中子源的帮助下解决。”

　　而在这长达6年的建设周期中，将有大量技术难关等待中国最高水平的科研力量携手攻克。张杰说：“质子加速器、靶站、中子散射谱仪的建设，都涉及大量具战略意义的高技术。因此，建设这样的大科学装置，能直接促进相关高科技研究和工业的发展，还能为我国培养和凝聚一大批高水平的科研人才和工程管理人员。”

　　中科院基础科学局综合规划处处长黄敏告诉记者：曾参与北京正负电子对撞机建设、并组织全面工作的张厚英，后来成为了我国载人航天应用系统总指挥。

　　检验国家科技能力的大平台

　　世界第一台散裂中子源，是在30多年前的美国。

　　世界最强脉冲散裂中子源，是在1985年的英国。

　　雄心勃勃，不甘落后———上世纪末，美国、日本等又纷纷开始建设新一代散裂中子源。美国橡树岭国家实验室建设的散裂中子源SNS耗资14亿美元，预期核功率将达1兆瓦，将于明年建成；日本在建的散裂中子源J—PARC由于规模更大，目前遇到较大技术困难，何时建成还没确定；而印度等国也在积极筹建自己的散裂中子源。

　　张杰清晰记得：6年前，陪同中科院院长路甬祥参观英国的散裂中子源；回国后，路甬祥即要求论证我国建造的可行性。“因为我们切身体会到了它对提高国家科技创新能力的重要性。英国散裂中子源ISIS平均每年用户达1500人，他们在近20台中子散射谱仪上开展700多个实验；建造这一散裂中子源的卢瑟福实验室每年发表500篇高水平的相关论文，早已成为世界级实验室。这样的大科学平台，中国太需要了！”

　　2002年，中国启动散裂中子源概念研究。经估算，散裂中子源在我国国内的潜在用户在1900个以上。2005年，国务院科教领导小组原则批准建造散裂中子源，中科院随即启动前期预制研究。“目前，这一研究已进入尾声，有望于年内启动建设。”

　　张杰说：按设计，中国将建成质子直线加速器、质子同步加速器、靶站、7台中子散射谱仪、辐射防护系统及配套设施；随着科学研究的深入，未来中子反射谱仪将达18台。“考虑我国国情和科学技术发展的实际需要，12亿元人民币的投入、0.1兆瓦的设计核功率，都只有美国SNS的十分之一。但在满足科研需求的关键指标———有效中子通量上，由于我国采用了独特先进的设计，因此能达到美国SNS的五分之一，将位列世界第三，而且这一排名至少可保持到2020年。”而有效中子通量的保证，使得我国散裂中子源届时能满足的研究需求是美国SNS的80%。

　　“由于我国散裂中子源比美国晚建，因此吸收了很多成熟经验，可少走许多弯路，设计上更加优化，也可以投入更少经费。”张杰说，“我国的散裂中子源将是一个性价比非常高的大科学装置。”

　　“上海光源”的双生姐妹

　　简直就是一对双生姐妹。

　　正在浦东张江紧张建设中的、迄今为止我国在建最大的大科学工程———“上海光源”同步辐射光源，与散裂中子源的造价相当，并且对于我国的物质结构科学研究，两者还能互为补充、相得益彰。

　　张杰告诉记者：“‘上海光源’同步辐射是电磁辐射，对物质的电子结构敏感，即可以看到物质的骨架，但对原子核在什么地方不敏感，因此探测不到。而散裂中子源的中子探针对物质的电子结构不敏感，但对原子核在什么地方却非常敏感。因此，通过这两个大科学装置观察同一种物质，就能得到一个非常完整漂亮的物质结构图。”

　　“另外，散裂中子源还有一个优势。同步辐射每一个X线的光子，由于要保持高空间分辨率而能量很大，对于生物样品会造成一定损害；而散裂中子源产生的中子经过慢化处理后，变成能量非常低的‘冷中子’，可在达到高空间分辨率的同时，对生物样品的损害降到最轻。因此，散裂中子源更适宜探测活性生物分子。”张杰说，冷中子很可能在生命科学研究上导致重大突破。

　　“两者相辅相成，在很多问题的解决上缺一不可，它们的完美配合是衡量一个国家科技综合实力的重要标志之一。”张杰说。

　　散裂中子源将建何处？张杰说目前尚未最终确定，不过他透露，大科学装置一般对于水文、地质、环境等条件都具有非常苛刻的要求。相较而言，散裂中子源对地质条件的要求更苛刻，特别是有个10万吨重的靶站，占地仅10平方米，而在运行中要求地质沉降必须控制在零点几毫米内。

　　邓小平的远见卓识

　　中科院院士、著名高能物理学家谢家麟记得：1984年10月，时已八十高龄的邓小平来到中科院高能物理研究所参加北京正负电子对撞机奠基典礼。他兴致勃勃挥锹铲土为对撞机奠基，对周围的人坚定地说：“我相信，这件事不会错。”

　　2.4亿元投资的对撞机工程，尽管只是“上海光源”和散裂中子源的五分之一，但在那个改革开放刚起步的年代，国内生产总值尚不到5000亿元！而正是这2.4个亿造出来的北京正负电子对撞机，不仅填补了我国在高能物理实验和同步辐射实验上的空白，更取得了如SARS病毒主蛋白酶晶体的结构测定等重要研究成果，被誉为我国继上世纪六七十年代原子弹、氢弹爆炸和人造卫星上天后在高科技领域的又一重大突破。

　　邓小平说：“过去也好，今天也好，将来也好，中国必须发展自己的高科技，在世界高科技领域占有一席之地。如果60年代以来中国没有原子弹、氢弹，没有发射卫星，中国就不能叫有重大影响的大国，就没有现在这样的国际地位。这些东西反映一个民族的能力，也是一个民族、一个国家兴旺发达的标志。”

　　如今，我国的大科学装置也已进入新的发展时期。黄敏告诉记者，自1939年美国建成世界上第一台回旋加速器以来，在近70年的历史中，全世界有16项获得诺贝尔奖的重大科学突破与大科学装置有关。“现代科学研究的水平已经越来越依赖于科学装置的性能。大科学装置已成为现代科学研究诸多学科取得突破的必要条件。”

　　我们有理由期待———

　　依托散裂中子源、“上海光源”等大科学装置，中国的科技发展水平和科技创新能力将继续向着世界科技的最前沿进军！