2021年5月22日，“科普中國-我是科學(xué)家”第34期“突破想象力！”演講現(xiàn)場，中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生帶來演講：《松山湖水平 散裂中子生》。

以下為陳和生演講實(shí)錄：
2021.05.22 深圳

大家下午好，非常高興能有機(jī)會(huì)來給大家介紹中國散裂中子源。它就在離深圳很近的地方，大家看這就是松山湖，離今天的現(xiàn)場大概40公里。


這個(gè)地方本來盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)荔枝品種“糯米糍”，但2006年被我們選中，也是因?yàn)樗且粋€(gè)最適合建設(shè)大科學(xué)裝置的地方。我們?cè)?011年動(dòng)工，經(jīng)過了6年半建設(shè)，筑成了散裂中子源。

它包括直線加速器，會(huì)產(chǎn)生8千萬電子伏特的質(zhì)子，然后送到快循環(huán)加速器里。所謂“快循環(huán)”，就是每一秒鐘25個(gè)赫茲，或者叫25個(gè)循環(huán)。

把8千萬電子伏特的質(zhì)子加速到16億電子伏特，再去打中間的靶站，就會(huì)產(chǎn)生散裂中子，然后我們用測量儀器來收集散裂中子的各項(xiàng)信息。

我們?cè)?017年8月28日，在本土成功實(shí)現(xiàn)了散裂中子源運(yùn)行，正可謂——松山湖水平，散裂中子生。

為什么要建設(shè)散裂中子源這樣的大科學(xué)裝置？

回顧上世紀(jì)物理學(xué)的進(jìn)展，二十世紀(jì)是名副其實(shí)的物理學(xué)的世紀(jì)，物理學(xué)在這個(gè)世紀(jì)里經(jīng)過了三次大跨越。

一百多年前，我們發(fā)現(xiàn)原子是由電子和原子核組成的，后來又發(fā)現(xiàn)原子核是由質(zhì)子和中子組成的。上世紀(jì)六七十年代，我們最后發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子不是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終單元，它們都是由更小的粒子——夸克所構(gòu)成的。當(dāng)時(shí)中國科學(xué)家給它起名叫“層子”。每一個(gè)質(zhì)子和中子都包含三個(gè)夸克，夸克非常奇妙，它的電荷是1/3和2/3。

為了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三次大跨越，就需要建設(shè)非常大的加速器。因?yàn)楸谎芯康奈镔|(zhì)結(jié)構(gòu)越來越小時(shí)，需要越來越高的能量去分解物質(zhì)。為了獲得能量大的粒子，就需要建造非常大的加速器。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)周長240米，日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的加速器周長27公里。只有用這么大的科學(xué)裝置才能夠得到非常高能量的粒子，才能去研究微觀世界，去找到構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，并研究它相互作用的規(guī)律。

上一個(gè)世紀(jì)三次大跨越，最終產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

一個(gè)是它變成了生產(chǎn)力，如大亞灣核電站，江門核電站——我們利用江門核電站中微子來做實(shí)驗(yàn)。如今強(qiáng)調(diào)綠色能源，強(qiáng)調(diào)碳中和，而核電是非常重要的清潔能源。利用核醫(yī)學(xué)成像來診斷身體有無疾病，利用工業(yè)CT來檢查設(shè)備有無缺陷，利用放射性加速器療法去治療癌癥等等，這些都是上一個(gè)世紀(jì)物理學(xué)研究的成果轉(zhuǎn)化。這種成果轉(zhuǎn)化，也包括大家現(xiàn)在用的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、GPS導(dǎo)航的開發(fā)。

還有一方面重要影響，就是它使社會(huì)政治發(fā)生了巨大變化。核武器的誕生，源于核物理研究。從1945年第一個(gè)原子彈在日本廣島爆炸以來，核武器一直是國際政治一個(gè)非常敏感、非常復(fù)雜的問題。


還有另外一個(gè)影響可能不被人所熟知。如今我們天天都在上網(wǎng)，看新聞，跟朋友聊天，網(wǎng)上購物，那么網(wǎng)頁是怎么產(chǎn)生的？它實(shí)際上也是粒子物理研究的副產(chǎn)品。

1988年，為了大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)的合作，網(wǎng)頁在歐洲核子研究中心被發(fā)明出來。這項(xiàng)大型科學(xué)項(xiàng)目包含四個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)有幾千個(gè)科學(xué)家合力完成。他們分布在全世界，東到日本，然后到中國、印度、巴基斯坦；西到歐洲，到美國的東海岸紐約、中部芝加哥、西海岸舊金山，一直到夏威夷，跨越時(shí)間差二十個(gè)小時(shí)。那時(shí)沒有現(xiàn)在方便的電話，更不會(huì)有免費(fèi)的微信電話，交流非常困難。彼時(shí)的通訊要用電傳，類似于電報(bào)，表達(dá)字?jǐn)?shù)很有限。

當(dāng)時(shí)一位在日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的英國科學(xué)家提出來，利用當(dāng)時(shí)剛剛產(chǎn)生的互聯(lián)網(wǎng)開辟一個(gè)空間，讓大家來發(fā)表意見。當(dāng)日本、中國的科學(xué)家上班了，可以發(fā)表自己的意見，然后到歐洲科學(xué)家隔六七個(gè)小時(shí)上班，再發(fā)表自己的意見，這樣就形成了互相聯(lián)通的交流網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)時(shí)人們就看到了互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景非常好，當(dāng)然絕沒想到會(huì)有現(xiàn)在這么大的影響。歐洲核子研究中心和這位英國科學(xué)家表示，我們這些做粒子物理研究的，都是納稅人的錢來支持的，因此不申請(qǐng)專利，把這個(gè)發(fā)明貢獻(xiàn)給全人類。所以現(xiàn)在，大家每天在用手機(jī)看網(wǎng)頁、購物、聊天，所有這些東西都是來源于這樣一個(gè)發(fā)明。

可以看到大科學(xué)研究，不僅是為了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究理論的大跨越，同時(shí)會(huì)促進(jìn)很多技術(shù)的生產(chǎn)。

回到國之重器，為了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)最小單元，要造非常大的加速器，產(chǎn)生非常高的能量，從而去研究非常小的尺度，比如說10-13cm，甚至于10-15cm、10-16cm。

這種設(shè)備可以分成兩類，一類是某一個(gè)學(xué)科專門用的，比如說合肥的等離子體聚變的裝置，或者貴州的天眼天文望遠(yuǎn)鏡，或是日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心的大型對(duì)撞機(jī)，都屬于某一個(gè)領(lǐng)域?qū)ｉT的設(shè)備。


另一類就是大型科研平臺(tái)。大型的加速器能夠產(chǎn)生同步輻射，也能夠產(chǎn)生中子，同步輻射產(chǎn)生的是一種非常強(qiáng)的X光，比醫(yī)用X光可能強(qiáng)幾十幾百億倍。它是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常好的工具，中子也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常好的工具，所以生產(chǎn)這些工具的設(shè)備，就成了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)非常有利的平臺(tái)。

中國的大科學(xué)裝置起源于1984年，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建設(shè)是小平同志力排眾議所決定的。我們當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)還比較困難，有外國科學(xué)家問鄧小平同志，現(xiàn)在中國還很窮，為什么要建北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)？這是很昂貴的高科技設(shè)備。小平同志解釋說，我們現(xiàn)在要建這個(gè)大科學(xué)裝置，是為了我們國家未來的科技發(fā)展，是為了讓中國的高科技在世界上占有一席之地。

應(yīng)該說小平同志非常富有遠(yuǎn)見，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)開創(chuàng)了我國大科學(xué)裝置建設(shè)的新紀(jì)元，它不僅產(chǎn)生了豐富的科學(xué)成果，也使我們國家像同步輻射光源、散裂中子源這樣的大科學(xué)裝置不斷發(fā)展。同時(shí)，通過培養(yǎng)人才，建設(shè)管理機(jī)制，我們國家的大科學(xué)裝置這么多年來有了非常大的進(jìn)步。

我有幸領(lǐng)導(dǎo)了兩個(gè)大科學(xué)裝置的建設(shè)。

一個(gè)是北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程，1984-1988年建設(shè)了北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，十多年以后，為了能夠保持國際領(lǐng)先地位，我們?cè)?004-2008年對(duì)它進(jìn)行了重大的改造，性能提高了100倍。我們按期完成，不超預(yù)算，性能比我們的美國競爭對(duì)手超過了十幾倍。我們建成了美國康奈爾大學(xué)在同樣能區(qū)類似的加速器，它就關(guān)門了。


這個(gè)是正在建設(shè)的北京高能光源。像這些設(shè)備都是探索微觀世界的超級(jí)顯微鏡。要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，需要先搞清楚物質(zhì)結(jié)構(gòu)，才能夠理解它的性質(zhì)。

我今天要給大家著重介紹的，是另一個(gè)大科學(xué)裝置——建設(shè)在東莞的中國散裂中子源。

上面這兩張圖是金剛石和石墨。金剛石非常昂貴，diamond is forever；而石墨很普遍。它們看似完全不同，但實(shí)際上都是碳原子組成，只是分子結(jié)構(gòu)不一樣。結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，不同的結(jié)構(gòu)，哪怕是同樣的分子組成的，都會(huì)得到完全不同的性質(zhì)。

這是散裂中子源的示意圖。直線加速器產(chǎn)生8千萬電子伏特的質(zhì)子，然后打到快循環(huán)同步加速器，再打到靶站，產(chǎn)生非常短、非常強(qiáng)的脈沖。

散裂中子源有一些典型的應(yīng)用，比如說航空發(fā)動(dòng)機(jī)。我們國家面臨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟病，也是制約我們航空發(fā)動(dòng)機(jī)性質(zhì)的最大的困難之一，就是葉片金屬疲勞——人會(huì)感到疲勞，金屬也會(huì)疲勞，它每一分鐘幾萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的時(shí)間久了，它也就受不了了，會(huì)裂會(huì)碎，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)部件都有類似問題。

再比如可燃冰，南海可以開采可燃冰，為什么我們現(xiàn)在不繼續(xù)開采？因?yàn)樾枰斫饪扇急男再|(zhì)，這也需要先理解它的結(jié)構(gòu)。只有這樣，我們才能夠安全地將其開采、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和利用。可燃冰在南海底下，長度有幾十公里、幾百公里，厚度幾十米，如果我們突然去捅咕它，或者突然對(duì)它進(jìn)行氣化，后果可能不堪設(shè)想。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的缺陷和損傷，只有用中子才能夠探測。

還有電池，電動(dòng)汽車本質(zhì)上就是電池，我們希望充電快、容量大，并且性能安全，那么怎么做到？只有中子散射才能做到這一點(diǎn)。

還有芯片的單粒子效應(yīng)，在國際前沿的研究里，如在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)研究中，它也非常重要。因?yàn)橹凶佑写判裕粠щ妳s有磁性，所以它穿透能力很強(qiáng)，是研究磁性材料非常好的一個(gè)手段。

另外，中子的特點(diǎn)是對(duì)碳、氫、氧、氮——這些生命科學(xué)和能源科學(xué)里最常見的元素非常敏感，這一點(diǎn)是同步輻射做不到的。所以我們可以用它來研究藥物的結(jié)構(gòu)，研究藥物在人體當(dāng)中作用輸運(yùn)的過程。

超導(dǎo)，本質(zhì)上是一個(gè)非常復(fù)雜、和磁性結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)的物質(zhì)，用中子來研究超導(dǎo)非常重要。自旋電子學(xué)，就是現(xiàn)在大家經(jīng)常聽到的量子材料，要研究自旋電子的性質(zhì)，也要用散裂中子源。

催化劑，90%以上的化學(xué)化工反應(yīng)都要用催化劑，但催化劑到底是怎么發(fā)生作用的，化學(xué)家一直沒有手段來系統(tǒng)研究。而中子散射能夠透過非常厚的高溫高壓的化工容器，來原位地研究催化劑是怎么發(fā)揮作用的，給化學(xué)家提供了非常重要的研究手段。

二十多年前，德國高鐵ICE發(fā)生了一起重大事故，造成一百多人死亡，究其原因是金屬疲勞。

為了應(yīng)對(duì)金屬疲勞，我們得弄明白到底運(yùn)行多少公里就該換，十萬公里，十五萬公里，還是二十萬公里？不同工藝造出的車輪之間有什么差別？這些最后都靠散裂中子源做到了。用它測量剛造好的車輪以及運(yùn)行了幾萬公里、幾十萬公里的車輪，可以觀察到金屬疲勞現(xiàn)象。通過測量的數(shù)據(jù)來規(guī)定車輪的使用期限，這樣就杜絕了此類事件的再次發(fā)生。

中國的高鐵現(xiàn)在占世界高鐵里程70%。但是我們的車輪都是進(jìn)口的，國產(chǎn)的車輪要想通過鑒定開始使用，就需要測量它的殘余應(yīng)力，這也我們的重要任務(wù)之一。

由于上述這么多迫切需求，我們?cè)谑兰o(jì)之交就提出來建設(shè)中國散裂中子源。當(dāng)時(shí)世界上已經(jīng)有了英國散裂中子源——盧瑟福實(shí)驗(yàn)室，美國散裂中子源——橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室，還有日本散的裂中子源，在東海原子能機(jī)構(gòu)。

這是2000年7月28日的《人民日?qǐng)?bào)》，7月27日國家科教領(lǐng)導(dǎo)小組主持了會(huì)議，其中討論了中國高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展戰(zhàn)略。那時(shí)我們受科學(xué)院的委托，制定具體的發(fā)展戰(zhàn)略，主要包括北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的重大改造，同時(shí)也規(guī)劃了散裂中子源的建設(shè)。

當(dāng)時(shí)我們就認(rèn)識(shí)到，要優(yōu)化中國散裂中子源，要優(yōu)化中國大科學(xué)裝置布局，不能都只建在北京上海。當(dāng)時(shí)科學(xué)院的院長路甬祥就提出，要把中國科學(xué)院在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面的雄厚實(shí)力，和珠三角地區(qū)強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，以及對(duì)科技升級(jí)、科技發(fā)展、產(chǎn)業(yè)升級(jí)的需求密切地結(jié)合起來。

2006年2月，我到廣州參加廣州發(fā)改委會(huì)議，介紹散裂中子源在尋找建設(shè)地點(diǎn)。廣東省領(lǐng)導(dǎo)表示非常支持，當(dāng)時(shí)推薦了三個(gè)地點(diǎn)——珠海，廣州的蘿崗和東莞的松山湖。我們最后選擇了松山湖。

工程建設(shè)期間，我們遇到了很多困難。比如，隧道混凝土的施工配比錯(cuò)誤——工人們錯(cuò)誤地吸取上海光源的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為混凝土一米多厚，水泥不能多了，多了以后水泥的凝固熱會(huì)造成裂縫導(dǎo)致滲水。然而，上海是在地面施工，我們是在南方19米深的地下，地下水非常豐富，所以施工后第一個(gè)雨季就滲水，水漫金山。為此，我們重新在外面包繞建設(shè)了一個(gè)隧道，最終解決了問題，但是耽誤了一年多的進(jìn)度。

我們覺得給國家承諾的時(shí)間不能變，所以采取了一切方法，包括把本來該直接安裝到隧道的設(shè)備，先在地面安裝調(diào)試?yán)蠠挘鹊剿淼澜ê迷侔惭b下去，同時(shí)采取并行施工。這些都是加倍努力，有很大風(fēng)險(xiǎn)，但我覺得那么多國家的戰(zhàn)略需求等著我們，我們不能懈怠，最終按期完成裝置建設(shè)。

還有其他困難。比如，大功率的磁鐵單個(gè)有20多噸重，要通幾千安培的電流，就有一個(gè)國際性問題：產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)損壞磁鐵。就像老的日光燈有鎮(zhèn)流器，它會(huì)嘩啦嘩啦響，但二十幾噸重東西嘩啦嘩響后果就非常嚴(yán)重。我們付出非常大的努力克服了，首次打靶就成功，而且是按下鍵去，就得到了完全符合預(yù)期的中子束流。

2017年7月份，我率領(lǐng)中國物理學(xué)會(huì)代表團(tuán)到英國散裂中子源訪問，他們所長就說，你們下個(gè)月要打靶可要小心，我們之前打靶按下后一兩個(gè)禮拜過去，都不知道束流跑哪兒去了。各種各樣的設(shè)備或軟件故障把這個(gè)束流弄丟了，所以我們得做好準(zhǔn)備去debark。

但是我們?cè)O(shè)計(jì)好，設(shè)備制造好，安裝經(jīng)驗(yàn)好，盡管我們的隊(duì)伍非常年輕，但我們一按下去就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，成果非常豐碩。

散裂中子源現(xiàn)在有兩千多用戶，其中1/4都來自粵港澳大灣區(qū)，60多篇和設(shè)備相關(guān)的文章已經(jīng)發(fā)表。

香港大學(xué)黃明欣教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了世界上強(qiáng)度最高又韌性很好的超級(jí)鋼——鋼如果強(qiáng)度高往往就很脆，如何實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度高又韌性好，通過怎樣的辦法證明團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，這就需要通過中國散裂中子源來解釋。通過中子散射研究鋼的結(jié)構(gòu)，揭示了背后的性質(zhì)原理，最終結(jié)果發(fā)表在了《科學(xué)》雜志上。

我們的用戶遍布全國，很多省市都有，而且增長非常快，今年春天用戶申請(qǐng)?jiān)黾恿艘槐叮蚴俏覀儑业闹凶由⑸浒l(fā)展非常快，現(xiàn)在全世界15%的中子散射文章都有中國單位署名。

去年8月，我們做了硼中子治癌的實(shí)驗(yàn)，它是利用散裂中子源的技術(shù)，一種二元化的精準(zhǔn)治療，用硼中子的靶向藥物注射到人體。這種靶向作用能夠凝聚在腫瘤上，然后拿中子去照射治癌，而照射是不需要精確瞄準(zhǔn)的。

重離子或質(zhì)子加速器治療癌癥非常復(fù)雜，它要準(zhǔn)確控制能量，達(dá)到指定的深度，還要規(guī)定嚴(yán)格的形狀，所以它的造價(jià)都在10億、20億以上。而我們這種技術(shù)不需要瞄準(zhǔn)，是二元的療法，現(xiàn)在已經(jīng)在做動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，爭取明年這個(gè)時(shí)候能夠開始臨床試驗(yàn)。我想這是治癌方面一個(gè)重大的革新。

大科學(xué)裝置的建設(shè)是一個(gè)很長的過程。

我們?cè)?999年提出來這個(gè)想法，2000年得到中央的原則同意，等到通過國家驗(yàn)收已經(jīng)是2018年。這需要對(duì)國家的需求規(guī)劃有高瞻遠(yuǎn)矚，同時(shí)需要非常好的團(tuán)隊(duì)去努力實(shí)現(xiàn)這個(gè)規(guī)劃。

我想，散裂中子源會(huì)成為真正的國之重器，而且能夠?yàn)閲窠?jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全提供一個(gè)最先進(jìn)的研究平臺(tái)，同時(shí)也會(huì)為前沿科學(xué)研究提供最強(qiáng)有力的工具。

我們剛剛通過了國家發(fā)改委的評(píng)審，將會(huì)在今年啟動(dòng)散裂中子源的二期工程，把它的功率提高5倍——中子流強(qiáng)增加5倍后，在同樣實(shí)驗(yàn)精度下，取數(shù)據(jù)的時(shí)間減少5倍。流強(qiáng)提高了，就可以研究更小的樣品，觀察更快的過程。我們就能夠達(dá)到美國日本的散裂中子源的單個(gè)脈沖的中子流強(qiáng)了。

另外，根據(jù)廣東省和中國科學(xué)院的規(guī)劃，我們還將在散裂中子源的西面建設(shè)南方光源。我想這是一個(gè)最佳的組合，它會(huì)對(duì)灣區(qū)的科技創(chuàng)新、綜合性國家科學(xué)中心的建設(shè)起非常大的作用。

2006年，我們討論散裂中子源落戶廣東時(shí)，并沒有想到這里會(huì)成為粵港澳大灣區(qū)綜合性國家科學(xué)中心，但建成的時(shí)候恰好逢上灣區(qū)的戰(zhàn)略部署，松山湖和深圳的光明新區(qū)都成為了粵港澳大灣區(qū)綜合型國家科學(xué)中心的先行區(qū)。很重要的原因，就是因?yàn)樯⒘阎凶釉丛谑嗄昵奥鋺羲缮胶辛诉@個(gè)基礎(chǔ)。光明新區(qū)和松山湖僅一山之隔，我們希望深圳和東莞共同努力，共同發(fā)揮散裂中子源的作用，為粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)發(fā)揮更大的作用。

今天的觀眾中有很多學(xué)生，我想建設(shè)創(chuàng)新型國家是我們這一代人的責(zé)任，科技創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興非常關(guān)鍵的一步。我們要鼓勵(lì)更多的年輕人來獻(xiàn)身科學(xué)。只有更多的優(yōu)秀年輕人為國家的科學(xué)技術(shù)獻(xiàn)身，我們的科技創(chuàng)新才能夠得以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榭萍紕?chuàng)新歸根結(jié)底還是要人來做的。

謝謝大家。