一、集大成者成大器
中國的大科學裝置在新中國成立以后從零開始，隨著祖國的強盛、隨著改革開放而逐漸發展起來。高能所建設的北京正負電子對撞機開啟了我國建設大科學裝置的序幕，我有幸見證并參與了高能所兩個大科學裝置的建設。櫛風沐雨五十載，今天，當我們看到高能所的多個大科學裝置屹立在祖國的南北西東，中國因此在多個世界前沿科學領域有了重要的地位，科技競爭力大大增強，自豪感不禁油然而生。
與我結緣最深的中國散裂中子源，是我國迄今為止已建成的單項投資規模最大的大科學裝置。2006 年，我參與到這項工程的籌建工作中，被任命為工程辦公室主任。為什么要建設散裂中子源?簡單來說，散裂中子源就是一臺“超級顯微鏡”，其產生的中子如同“探針”，可以清晰檢測物質的內部結構，因此被認為是當今人類深度探索微觀世界的有力工具。它廣泛應用于新材料研發、關鍵零部件的性能檢測等熱門領域，為材料科學技術、物理學、化學化工、生命科學、新能源等基礎研究和應用研究提供了先進的科研平臺，對解決國家重大戰略需求和前沿科學諸多領域的瓶頸問題具有重要意義，是當之無愧的“國之重器”。
散裂中子源造價高，技術復雜，中子探測起來也非常困難，實驗的難度非常高，因此在中國散裂中子源建成之前，全世界只有三臺，即英國盧瑟福國家實驗室的ISIS、美國橡樹嶺國家實驗室的SNS和日本原子能研究所的J-PARC。建設中國散裂中子源的建議，起源于上世紀九十年代末期關于中國高能物理發展戰略的研究。2000 年8 月，中國原子能科學研究院與高能物理研究所提出國家重大科學工程項目建議書——“多用途中子科學裝置脈沖強中子源”。
經過國內相關領域科學家的深入討論和研究，中國散裂中子源被列入國家“十一五”的大科學裝置建設計劃。
二、直面挑戰攻堅克難
2007 年2 月，中科院與廣東省人民政府簽訂了合作協議，雙方共同向國家申請在廣東省東莞市建設我國首臺散裂中子源裝置。彼時，中國的大科學裝置主要集中在北京和上海，而廣東是改革開放的先行區，經濟發展迅速，也迫切需要提升科技創新和產業升級的能力。建設地址選在廣東有利于我國大科學裝置區域布局的進一步優化，促進我國科學技術與社會經濟更加和諧、協調地發展。
作為項目最早的參與者之一，我從項目選址、立項、工程建設到建成后開放運行的十幾年間，克服異地建設的重重困難，放棄幾乎所有職工年假，與家人長期聚少離多，始終扎根東莞多年，堅守在工程建設現場。前期的工作條件其實非常艱苦，我們幾位先行的同志頻繁上山考察選址，因為經費限制，租了輛拉魚車每天在工地上穿梭，大家下班后身上都有一股魚腥味。
散裂中子源裝置不僅造價高，而且技術復雜，是各種高、精、尖設備組成的整體。在工程經理部的帶領下，整個團隊不畏艱難，致力于推動關鍵技術和設備的自主研發和國產化。2011 年10 月，總投資23 億元的中國散裂中子源裝置終于在廣東東莞奠基。裝置建設內容包括一臺8 千萬電子伏特的直線加速器、一臺16 億電子伏特的快循環同步加速器、一個靶站，以及一期三臺供科學實驗用的中子散射譜儀。其工作原理是將質子加速到16 億電子伏特，速度相當于0.9 倍光速，把質子束當成“子彈”，去轟擊原子序數很高的重金屬靶，靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。裝置各項設備的批量生產在全國近百家合作單位完成，許多設備的研制達到國內外先進水平，設備國產化率達到90%以上，有力地促進了我國相關領域高技術的發展。
工程建設過程中遇到了極大的挑戰，由于地質原因，加速器隧道等土建工程延誤了1 年多，大大壓縮了設備安裝和調試的時間。整個工程能否按原定工期竣工驗收成為一個嚴峻的挑戰。工程領導決心“后墻不倒”，對國家承諾的竣工時間不能推遲，必須千方百計搶時間。采取的主要措施包括：將原定在隧道里測試老練的設備先在地面大廳安裝調試和老練，將通用設施的安裝與隧道土建施工交叉并行，這樣做大大增加了工作量和工程調度的難度。建設人員經過幾百個日日夜夜的奮斗，終于趕回了工期。在中國散裂中子源國際顧問委員會年度會議時，外國專家感嘆中國散裂中子源工程建設的“中國速度”：“難以想象你們在短短的一年完成了如此大量的工作”。
除了基建，研究團隊在設備的研制和安裝過程中更是克服了重重困難。例如快循環同步加速器的25Hz 交流磁鐵在我國屬首次研制，其間遇到了超乎想象的技術挑戰，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱等都是以前經驗之外的新問題。關鍵技術掌握在國外大公司手中，不可能對華交流。我們的科研人員與合作單位聯合攻關，經過6 年時間，改方案、換廠家，逐一攻破技術難關，終于靠自己的力量研制出合格的磁鐵。針對磁鐵磁場飽和，科研人員還創新性地提出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場同步問題，其效果優于國外散裂中子源。
2017 年秋天，中國散裂中子源首次打靶成功獲得中子束流(圖1)，為黨的十九大獻禮。中國散裂中子源的束流調試速度為國際同類裝置中最快，連國外專家都贊嘆我們調試的“中國速度”。
圖1 2017 年8 月30 日，首次打靶成功后，在靶站控制室討論調試(后排左二為作者)
三、異地建設從無到有
中國散裂中子源建設地在距離高能所北京本部兩千公里外的廣東省，要面對異地建設帶來的巨大挑戰。
一是人才隊伍的組建。人才是大科學裝置建設運行的關鍵因素，中國散裂中子源的人才梯隊建設成為重點工作之一。建設初期，團隊中有100 多名家在北京的科研人員，在長達六七年的時間里，他們都過著北京、東莞“兩頭跑”的生活，其中很多人員每年在莞時間多達300 多天。然而，東莞研究部作為高能所異地的分支機構，還面臨在東莞建設一支以青年人為主的專業齊全、高水平的科學技術和管理隊伍的關鍵任務。中國散裂中子源從2009年立項前后在北京就開始了人才隊伍的組建工作，通過校園招聘和網絡招聘等方式“招兵買馬”，來自全國各地的東莞戶籍年輕人在北京經歷了長達數年的時光，面臨工作、生活及婚戀等方面的諸多困難。多年來，通過“傳幫帶”和精神傳承，中國散裂中子源培養了一支年輕的加速器和中子散射隊伍，目前，500 多名科研工程人員平均年齡36 歲，超過80%的課題負責人由40 歲以下青年骨干擔任，在東莞形成了一支高水平的科研、工程、技術和管理隊伍，這支隊伍將為粵港澳大灣區未來大科學裝置建設提供基礎和保障。
二是爭取地方政府的大力支持。廣東省和東莞市對大科學裝置的落戶亦是求賢若渴，在土地和經費上都給予了充分支持。為中國散裂中子源項目一期工程規劃了400 畝地，并預留了600 畝地，以布局更多重大科技基礎設施。除了實現基本的“七通一平”配套設施之外，地方政府還修建了一條連接高速的公路，讓中國散裂中子源與全國路網融通。此外，因為穩定供電是散裂中子源正常運行的“生命源”，南方電網為此專門配建了專用變電站。
三是高能所分支機構的建設。隨著項目的不斷推進，高能所長期在東莞工作的職工人員有數百人，圍繞裝置的建設和運行，高能所在東莞設立了分支機構——東莞研究部，并成立了黨組織，從上而下建立了一整套組織管理系統，如設立機構部門、招聘專職人員、制定有關章程、建立工作流程等，從而形成一個綜合科研、管理、技術支撐的有機體。東莞研究部在制度、隊伍、創新文化和園區環境建設等方面做了大量工作，例如通過落實職工子女入托、入學、上下班交通等，解決職工面臨的實際困難;通過舉辦豐富多彩的文體活動，緩解長期異地帶來的情緒問題。東莞研究部成為裝置建設和運行的堅實基礎和強大后盾。
四、順利驗收填補空白
“散裂中子源等一批具有國際一流水平的重大科技基礎設施通過驗收。”在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會和中國科協第十次全國代表大會上，習近平總書記的重要講話，讓中國散裂中子源團隊感到無比的振奮。
對中國散裂中子源來說，2018 年8 月23 日是個難忘的日子，經過十余年的籌備和六年半的建設，當天中國散裂中子源項目順利通過國家驗收(圖2)，按指標、按工期、高質量地完成了工程建設任務，建成了我國首臺、世界第四臺散裂中子源，填補了國內脈沖中子源及應用領域的空白。
圖2 十年(右一為作者)
驗收委員會專家認為，中國散裂中子源的各項指標均達到或優于批復的驗收指標，技術和綜合性能進入國際同類裝置先進行列。裝置整體設計先進，研制設備質量精良，靶站最高中子效率和3 臺譜儀綜合性能達到國際先進水平。
國家驗收委員會專家還認為，中國散裂中子源通過自主創新和集成創新，在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術成果，顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測器及電子學等領域相關產業的技術水平和自主創新能力，使我國在強流質子加速器和中子散射領域實現了重大跨越。
諾貝爾獎獲得者、著名美籍華裔物理學家李政道獲悉中國散裂中子源通過國家驗收的消息后，發來親筆信表示祝賀，希望祖國科學家利用散裂中子源作出世界一流實驗成果。
驗收通過后，我們的科研人員并沒有停下奮斗的腳步，而是朝著更高的目標前進。
根據國際同類裝置的調試運行經驗，中國散裂中子源最初考慮在項目驗收之后3 年內，即至2021年8 月束流功率達到100 千瓦設計指標。鉚足勁的科研人員一心想著通過努力，把時間往前趕。2020年2 月28 日，打靶束流功率比原計劃提前一年半達到100 千瓦的設計指標。2022 年2 月，打靶束流功率又提高到125 千瓦，超過設計指標25%，并實現穩定供束運行。
五、用戶成果遍地開花
中國散裂中子源開放運行后，大科學裝置的綜合效應開始逐步顯現。從2018 年9 月至今，中國散裂中子源已完成六輪運行，注冊用戶超3800 人，完成實驗課題800 余項，在多個領域開展重大創新研究，包括深海潛水器等大型工程部件殘余應力和服役性能檢測等，為國家急需的許多高性能結構材料攻關提供了關鍵技術平臺(圖3)。此外，中國散裂中子源在磁性材料、納米功能材料、高效催化劑、自旋電子學、有機太陽能薄膜電池、金屬玻璃、高分子聚合物、生物大分子等國際科技前沿研究中也取得了一批成果。中國散裂中子源取得的科學成果遠遠超過美國和日本散裂中子源在建成后同樣階段的成果。
圖3 全家福
中子有幾種特點，決定了它在微觀研究領域的不可替代性。例如中子是電中性的，但它本身帶有磁矩，能幫助我們研究各種磁性材料;中子對碳、氫、氧、氮等這些能源和生命科學領域極為重要的輕元素很敏感;中子的穿透力很強，能夠原位地研究大的工程部件的殘余應力和金屬疲勞，為高端制造保駕護航。
隨著研究推進，中國散裂中子源的關鍵核心技術成果產業化已開花結果。2020 年8 月，研究團隊建成我國首臺具有完全自主知識產權的基于加速器的硼中子俘獲治療(BNCT)實驗裝置，為我國醫用BNCT 治療裝置整機國產化和產業化奠定了技術基礎，有望為我國腫瘤治療帶來重要技術革新。目前，研究團隊正在與南方醫科大學附屬東莞醫院(東莞市人民醫院)共同推進臨床試驗相關工作。
六、為粵港澳大灣區科技創新插上翅膀
中國散裂中子源是粵港澳大灣區首個重大科技基礎設施，它的建成最直接的效益就是為國內科技工作者帶來研究物質的“利器”，特別是為港澳科學家使用散裂中子源提供了前所未有的便利。大灣區是國內先進制造業基地，對材料科學技術有著迫切的需求。中國散裂中子源的成功建設助推松山湖成為粵港澳大灣區綜合性國家科學中心的先行啟動區。中國散裂中子源吸引了很多先進科研機構和高科技人才落戶東莞，并使之成為國家創新發展的重要引擎。
中國散裂中子源共設計預留20 條中子通道，可建設20 臺左右中子譜儀，一期工程已建成并對用戶開放3 臺，正在與粵港澳大灣區的高校、研究機構積極開展合作，共同建設8 臺合作譜儀，包括東莞理工學院(聯合香港城市大學)、工信部電子第五研究所、中山大學、南方科技大學、東莞材料基因高等理工研究院、北京大學深圳研究生院等，另外，廣東省科技廳直接支持建設兩臺譜儀。
隨著中國散裂中子源二期工程建設即將啟動，未來的譜儀數量將增加到20 臺，覆蓋廣大用戶各方面的研究領域，加速器打靶和靶站設計功率從100千瓦提升到500 千瓦，設備研究能力將大幅度提升，大大提高實驗的精度和速度，能夠測量更小的樣品，研究更快的動態過程，滿足國內外更多用戶需求，為前沿科學研究、國家重大需求和國民經濟發展提供更先進的研究平臺。
回首中國散裂中子源項目，從籌備至今已經走過了20 多年的歷程，期間經歷過無數的困難和挑戰，最終走向成功，這是幾百名科研、工程建設和管理人員繼承和發揚高能物理研究所的優良傳統，矢志不渝、協同努力、共同奮斗的成果。不忘初心，方得始終;回首來路，可知未來。中國散裂中子源將肩負發展中國中子散射研究和應用的重任，擔當粵港澳大灣區綜合性國家科學中心的核心裝置重托，打造國家創新發展的重要引擎，為實現我國高水平科技自立自強貢獻力量。
