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直径只有原子的十万分之一,质量为1.6749286 ×10-27千克,平均寿命为896秒……

这是中子,原子核包含的两种粒子之一,算得上“微不足道”。

然而,正是这般“微不足道”的中子,“落在”广东的“制造业之都”东莞,扎根巍峨山下、松山湖边,4年多来,“散裂”出科研的“庞然密林”:

500多人的“科研天团”、800多项研究课题、3800多名注册用户来了;一批高校院所、实验室、研发机构、青创基地接茬落户,一群群教授、研究员甚至院士常常在不经意间和寻常“老莞”擦肩而过;松山湖科学城和深圳光明科学城一道被纳入大湾区综合性国家科学中心先行启动区……

一切变化,还要从一群人和一个大科学装置——中国散裂中子源说起。

磁 吸

小小中子,看不见、摸不着,却吸引一流科研机构、重大科技基础设施纷纷前来,对海内外高端创新资源的集聚效应日益显现

现任中国科学院高能物理研究所所务委员、东莞研究部副主任王生,就是这群人中的一个。

2017年6月,他和中科院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生,高能所副所长、东莞研究部主任陈延伟,一起接待了来调研的时任中科院副院长王恩哥。彼时,距离中国散裂中子源首次打靶成功、获得中子束流还有两个多月。

说起散裂中子源的用处,陈和生有一段比喻:“散裂中子源就像‘超级显微镜’,是研究物质材料微观结构的理想探针,为我国材料科技、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等领域的研究提供了一个技术先进、功能强大的科研平台。”

这其中的材料科技,就是王恩哥的专业领域。当年底,在王恩哥发起推动下,广东首批4家省实验室之一的松山湖材料实验室启动建设,并于次年4月注册成立,选址就在距离散裂中子源数公里开外。至今,实验室已聚集600多名科研人员,引进创新样板工厂团队25个,注册成立38家产业化公司,注册资本超过3亿元。

小小中子,看不见、摸不着,甚至不带电,竟有如此强的“磁吸力”?

对此,王生科普道,中子和X射线一样,都是研究物质结构和动力学的强有力工具,但与后者主要和原子核外电子发生作用不同,中子是与原子核作用,即“遇见”原子核时发生散射或反射,通过分析中子的飞行轨迹,反推出原子核的内部结构,从而进行科学研究,“因此,在‘透视’材料微观结构和性能,研发新型前沿材料上,散裂中子源有不可替代的作用。”

为国家探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术,这是王生和同事们不远千里从北京来到广东,花6年半时间建设大科学装置的初心。

其实,我国早在本世纪初就开始谋划建设散裂中子源,最终确定由中科院和广东省共同建设,落地东莞松山湖。如今,中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源,总投资约23.5亿元,设备国产化率达到90%以上,装置整体设计先进,研制设备质量精良,靶站最高中子效率和3台谱仪综合性能达到国际先进水平。

这台投资规模巨大的“国之重器”,结束了珠三角地区没有国家大科学装置的历史。“中国散裂中子源在东莞的成功建设,展示了广东省引进大科学装置、推动科技创新的决心和成就,吸引了国内许多一流的科研机构落户广东,共同建设大科学装置。”陈和生感慨。

中国散裂中子源规划建设时,还没有“粤港澳大湾区”的概念。“落地东莞是富有远见的决定,有利于优化中国大科学装置的布局,把基础研究和应用基础研究的雄厚实力、珠三角地区强劲的经济实力,以及对科学技术和产业升级的迫切需求结合起来。”东莞市委副书记、松山湖高新区党工委书记刘炜说,中国散裂中子源的磁吸效应对海内外高端创新资源的集聚效应日益显现。

香港大学教授黄明欣长期从事材料研究,过去他需要向国外的散裂中子源申请机时,设计好实验步骤,把材料寄到国外,做好实验之后,再传回数据。2018年8月,中国散裂中子源正式投入运行。“在自家门口做实验,太方便了。”当时,具有广泛应用前景的“超级钢”正进入黄明欣的视野。利用中国散裂中子源的通用粉末衍射仪,他的团队发现了强度高而且韧性好的“超级钢”微观机制,为改进这种钢的断裂、韧性和腐蚀性等问题提供了关键数据支撑。

如今,以中国散裂中子源为起点,广东重大科技基础设施实现了“从0到1”“从1到多”的跨越,江门中微子实验、惠州的强流重离子加速器和加速器驱动嬗变研究装置等一批国家重大科技基础设施先后落地建设,探索未知世界、发现自然规律、引领技术变革。

撞 击

这一撞,不仅“撞”出了中子束流,还“撞击”着东莞的“世界工厂”城市理念,“撞”出巨大的发展空间

“你看,散裂中子源装置主要包括1台负氢离子直线加速器、1台快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站,以及一期3台谱仪。”实验楼的沙盘模型前,中国散裂中子源研究员李晓挨个介绍不同设备的名字和用处。

“简单说,就是用高能质子束去撞击重原子靶。这里面最关键的是加速,跑不快,撞不开,一切都是空谈。”李晓说,经过直线、循环加速,质子束的速度被提升到0.9倍光速,然后“轰”一下,被撞出来的中子四散飞奔。

整个过程,用时约0.02秒。然而,从北京的中科院高能所大院到东莞山脚边的第一条中子束流,这条路,科学家们却走了十几年。

王生全程参与了散裂中子源的建设和运行,“不仅装置极为庞大,而且部件繁多,工艺极其复杂。大家为同一个目标汇聚在这里,记不清度过了多少个不眠之夜。”

国内首次研制快循环同步加速器的25赫兹交流磁铁;创新性提出谐振磁铁电源的谐波补偿方法,解决了多台磁铁之间的磁场同步问题,效果优于国外散裂中子源……一个个技术挑战被逐一攻克。

2017年8月,中国散裂中子源首次打靶成功。当时,人们可能想不到,这一撞,不仅“撞”出了中子束流,还“撞击”着东莞作为“世界工厂”的城市理念,为这座城市、广东,乃至后来的大湾区,“撞”出巨大的发展空间。

撞击而来的中子束流,慢化后通过中子导管引入特定的谱仪,即可开展实验研究。在一期工程已建成并对外开放3台谱仪的基础上,中国散裂中子源还与各高校、研究机构等积极开展合作,共同建设8台合作谱仪。“每个谱仪就相当于一个实验站,对应不同的实验领域和方向。”王生解释。

其中,由澳门太阳集团2007登录86投资8000万元,联合中国散裂中子源和香港城市大学建设的多物理谱仪是国内首台中子全散射谱仪,可用于不同有序度材料的结构研究。自2021年10月正式向全球的科研人员开放以来,香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学、澳门科技大学等高校的用户在这里开展多项实验研究。

从最初不为人所知,到吸引各路“科研天团”纷至沓来,对科学的向往像涟漪般,在这里圈圈荡开。

从2012年中国散裂中子源土建动工开始,王生每年待在东莞的时间超过300天,早就把这里当成了自己的第二个家。以前,他总觉得东莞是个遍地车间的“大工厂”,但随着周边聚集起越来越多“学术大咖”、科研“大牛”,看着一排排人才公寓、科研院所等鳞次栉比,他明显感受到,科学城的成色愈加鲜明了。

当然,作为开放共享的平台,中国散裂中子源同样服务于建造它的中科院高能物理研究所的科学家,开展相关学科的前沿研究。散裂中子源的开放运行也已吸引一些国际一流专家来高能所工作。但王生说,他们自己也要像大家一样申请机时。散裂中子源主要服务于国家战略需求,为利用这个平台开展研究的科学家提供最好的研究条件和科研服务。2018年以来,中国散裂中子源完成7轮开放运行,科学产出重点在航空航天、量子、能源、合金、高分子、信息材料等领域,目前已在《科学》《自然通讯》《先进材料》《美国化学会志》等期刊上发表文章120余篇。近年来中国中子散射用户快速增长,今年上半年收到课题474项,同比增长89%,国家重大需求用户增长较快。

“目前,我们一年开放机时超过5000小时,运行效率达到97%,仍然供不应求。”王生坦言,现在只有1/3的申请能得到满足,只能尽量增加开放时间。好消息是,中国散裂中子源正在布局二期工程。届时中子谱仪总数将达20台,加速器打靶束流功率将从100千瓦提升到500千瓦,研究能力将大幅度提升。

散 裂

中子“扎根”,“散裂”出“庞然密林”,许多创新研究在东莞和大湾区落地,科学装置的建设也推动当地产业迭代升级,“科技创新+先进制造”被定义为城市特色

在王生推荐下,记者来到南方医科大学附属东莞医院(东莞市人民医院)。一栋新的大楼已经封顶,楼体上的蓝色条幅写着“东莞市人民医院硼中子俘获治疗(BNCT)项目治疗中心大楼”,紧挨着它,另一栋 “BNCT研究楼”也在施工中。

这是落户在该院的硼中子俘获治疗项目——中国散裂中子源“散裂”出的一个重大成果,今年底将竣工并安装第一台实验机。

“项目建成后将立足东莞、辐射大湾区,为恶性肿瘤等患者提供全新的治疗手段,并大力推进恶性肿瘤治疗和研究领域的发展。”该院党委书记蔡立民说。

硼中子俘获疗法开创了攻克恶性肿瘤的新途径。它利用了含硼药物进入人体后会在癌细胞中富集,并且能够俘获热中子的特性,通过用热中子照射,发生俘获反应产生的约230万电子伏裂变能,仅作用在约10微米的癌细胞上,彻底破坏其遗传链结构,使其不能修复而死亡;同时周围不含或极少含硼的正常细胞在中子照射下不受伤害,从而精准杀伤恶性肿瘤。

放眼国际,硼中子俘获治疗设备已在日本上市。东莞能突破这一关键核心技术的自主可控,得益于院地企之间的一次联动:2018年东莞市两会上,中科院高能物理研究所副研究员、后来成为BNCT治疗端运行负责人的童剑飞提交了一份建议书,报告了陈和生院士团队自主研发的我国首台加速器硼中子俘获治疗实验装置,并提出有技术转化的价值。东莞十分重视,经过审慎评估,决定在东莞市人民医院建设硼中子俘获治疗项目。

“这不仅是一个造福患者的治疗项目,未来在治疗规范、适应症以及硼药等相关领域的基础研究前景广阔,也将是一个肿瘤相关人才聚集和团队创新的绝佳科研平台。”虽然项目真正应用到临床还得再等几年,但蔡立民已十分憧憬。

自中国散裂中子源投入正式运行以来,来自粤港澳大湾区的用户超过1/4,许多创新研究在东莞本地和大湾区实现了落地。反过来,中国散裂中子源的建设也离不开各方的配套设备供应,这推动着本地产业的迭代升级。“我们在有意培养广东本地的厂商来合作解决问题。为了把装置的指标推到极致,经常需要最前沿的技术。”王生说。

就拿中子衍射谱仪闪烁体探测器来说,乍看只是个其貌不扬的金属盒子,却是散裂中子源谱仪的关键核心装备。“它的探测有效面积非常大,在散裂中子源的中子探测领域里,可以提供非常全面、更加多维的信息。”澳门太阳集团2007登录86科技创新研究院副院长魏亚东说。

过去,中国散裂中子源中子检测关键设备依赖国外进口。为实现国产化,自2019年5月开始,散裂中子源科学中心与澳门太阳集团2007登录86共建了先进探测技术联合实验室,联合开展先进粒子探测技术研究。研究团队先后成功突破探测器光纤加工塑形、闪烁屏精密成型和波移光纤端面耦合等一系列关键制造技术。目前,为散裂中子源量身定制的闪烁体探测器已实现批量生产,并通过中子束流测试,关键性能达到相关设计指标,即将安装到谱仪上。

虽然是定制实验设备,不可能给实验室创造很大的出货量,但在魏亚东看来,为实现批量自动化生产,实验室师生共同研发了独一无二的制造加工设备,将来可以在中子探测器的工程化和装备制造的产业化方面,开拓新的空间。

影响更深远的“散裂”,还折射在东莞的城市气质上。陈和生清楚地记得,打靶成功当晚,几个年轻人在餐馆用餐,相关的电视新闻正好播出,一个陌生人听闻他们是中国散裂中子源的科研团队后,临走时悄悄为他们结了账。“虽然是件小事,但能感觉到东莞市民对团队的尊重。”陈和生说。

“源头创新、技术创新、成果转化、企业培育”,如今,东莞打造了全链条创新体系,技术创新活跃度迅速提升:2021年,全市研发经费支出占GDP的比重达到3.54%,位居广东省第二;科技创新综合竞争力挺进全国城市20强……

“科技创新+先进制造”被定义为未来5年东莞的城市特色。“东莞将进一步加大科技创新赋能力度,与粤港澳大湾区其他城市错位发展,形成最佳拍档,扎扎实实推进自身的高质量发展。”东莞市委书记肖亚非说。

这样的愿景,离不开王生和同事们的努力,离不开中国散裂中子源等大科学装置对科研、产业乃至城市的持续磁吸、撞击、散裂。一个中子与一座城的奇妙反应,还在继续……

记者:贺林平

原载于《人民日报》2022年9月8日13版

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