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东莞散裂中子源建设和项目设备调试 跑出“中国速度”

来源:广州日报 2020-07-30 15:10:56
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在距离香港、深圳一个多小时车程的广东东莞松山湖科学城,有一大片郁郁葱葱的荔枝林。这里坐落着我国迄今为止单项投资规模最大的已建成大科学装置——中国散裂中子源,它由中国科学院(以下简称中科院)和广东省共建,使得我国成为继英国、美国和日本之后,世界上第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。这一“国之重器”为何落子东莞?为了“国家承诺”,建设团队怎样攻坚克难抢回工期?被喻为“超级显微镜”的大科学装置,在善于创造奇迹的东莞热土上又如何跑出了不起的“中国速度”?广州日报记者采访了中国科学院高能物理研究所(以下简称中科院高能所)东莞分部副主任梁天骄,为我们解开这一国之重器的诸多玄妙。

大科学装置为何落子东莞?

为什么会是东莞?“其实最先在北京选址,并在周边寻访了近20个地方。”梁天骄向记者揭秘道,当时全国的大科学装置主要布局在北京、上海、合肥等地,而华南地区尚是一片空白,但广东已经认识到科技引领的重要作用,时任广东省委书记张德江和时任中科院院长路甬祥,已前瞻性地考虑到从全国布局、落地广东辐射南方、港澳这一重要因素。

“广东的选址在珠海、广州和东莞三地进行,其中东莞条件最好。”梁天骄回忆,初期推荐的地块地质条件不够好,最终中国散裂中子源工程总指挥陈和生院士通过地图搜索,“火眼金睛”般地发现了水平村这块宝地,“这里比较容易挖掘到基岩,对于建设承重要求高的靶站和沉降要求高的加速器很理想”。

而处于产业转型升级阵痛期的东莞,对这一大科学装置亦是求贤若渴,无论是土地还是经费都“给足支持”,按照规划散裂中子源一期占地400亩、二期留用600亩。除了在场地方面“七通一平”外,南方电网及时配建了可靠性很高的专用变电站保障设备运行,还专门修建了一条3公里长的中子源路连接常虎高速,从而让该大科学装置一举融入全国路网。

为了国家承诺这样抢回工期

散裂中子源建设背后亦有不少鲜为人知的“威水史”。当时整个建设团队中,有100多名家在北京的科研人员,他们经历了长达六七年、每年在莞300多天的异地工作,每次面临建设高峰期时,更需要一天工作十几个小时。

梁天骄特别提到一段“小插曲”。由于项目所在地复杂的地质条件,建设的加速器隧道出现渗水现象,只能把覆土挖开再在隧道外建挡水墙,如是使得隧道土建工程延期一年多。为了保证对国家承诺的竣工时间,散裂中子源建设团队咬紧牙关,想了很多办法将设备安装调试与土建施工并行,先在地面大厅调试加速器设备,以节省在地下隧道的安装调试时间。期间有的系统负责人连续几年未回家过年,2018年春节散裂中子源试运行时,大部分人员留守东莞。

为了做好设备的质量控制和把控进度,及时发现和解决问题,散裂中子源项目的工程人员常年驻厂。“记得有一名同事驻厂两个多月,当时我拍了几张他的工作照片发给他家人。”梁天骄说,没想到其小孩根本没认出来,直到第二张才看出“是爸爸”。东莞一些厂家的快速反应也给梁天骄留下深刻印象,其间一些配件与当地厂家合作,“有一家我们经常下班时才送出图纸,第二天厂家就完成加工送样过来”。

最终建设者们以成倍增加的工作量,抢回了宝贵时间,从而让散裂中子源建设项目跑出“中国速度”。历经10余年的筹备和6年半的建设,2018年8月23日,中国散裂中子源成功通过国家验收,首期建成1台8000万电子伏特的直线加速器、1台16亿电子伏特快循环同步加速器、1个靶站以及3台供科学实验用的中子散射谱仪。“通过这一工程建设,在东莞形成了一支高水平的科研、工程、技术和管理队伍,这支队伍将为粤港澳大湾区未来大科学装置建设提供基础和保障。这一点和装置的建设同等重要。”中科院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生曾如是评价这支有责任、有担当的建设团队。而中国散裂中子源建设团队,也因此于今年入选第24届“中国青年五四奖章”常规类集体。

复杂的装置调试效率惊人

各种高精尖设备组成的散裂中子源装置被喻称为“超级显微镜”,可用来观测物质的微观结构和运动。去年2月19日,著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生到东莞访问中国散裂中子源,对这一项目满足国家前沿科学研究和国家战略需求发挥的积极作用表示肯定。著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道,也曾亲笔写信希望中国科学家利用散裂中子源做出世界一流实验成果。

“大科学装置不像家里买个电视机,打开就可以使用。”梁天骄称,散裂中子源是很复杂的系统,需要长时间调试,“国外同类装置一般用3年左右时间调试,质子加速器才能达到90%左右的供束率”。而中国散裂中子源仅用了10个月时间,质子加速器的供束率就超过90%,靶站的中子供束效率已优于99.6%,“远远超出我们的预期”。

经过建设团队对相关设备进一步的调试,今年2月28日打靶束流功率达到100kW的设计指标,并开始100kW稳定供束运行,设计指标时间比原计划提前一年半。作为松山湖科学城已建成的首个大科学装置,中国散裂中子源目前已完成200多项用户课题,其中来自粤港澳大湾区的约占三分之一,来自中国香港、中国澳门的用户约占比10%。

梁天骄强调,中国散裂中子源的用户课题研究重点布局基础研究前沿领域、国家重大需求和国民经济“主战场”的重要问题。如今通过这一超级显微镜已取得多项重要创新成果,包括新型锂离子电池材料结构、斯格明子的拓扑磁性、自旋霍尔磁性薄膜以及太阳能电池、芯片中子单粒子效应等,同时也开展了航空材料、可燃冰、页岩气和催化剂等的前期研究。目前已有30多篇用户实验成果论文发表,大部分刊发于领域内的国际顶尖期刊。如香港大学黄明欣教授团队研发的“高强高韧变形分配钢”,具有高强度和高延展性等优点的论文成为中国散裂中子源首个在《科学》(Science)上发表的用户实验成果。

如今一切水到渠成,围绕中国散裂中子源,东莞正以更大力度打造90.52平方公里的松山湖科学城,并加快建设综合性国家科学中心先行启动区的步伐,全力推动中国散裂中子源二期、南方先进光源研究测试平台、松山湖材料实验室等重点项目建设,加快谋划建设阿秒激光设施和南方先进光源等大科学装置,加快打造好科学城的“科学内核”。

中国散裂中子源

建设时间:2011年9月(开工)—2018年3月(通过工艺鉴定验收)

所处地址:广东东莞松山湖科学城

中国散裂中子源通过自主创新和集成创新,在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果,显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业的技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。作为粤港澳大湾区首个重大科技基础设施,该平台同时也能够服务众多产业,为高新技术研发提供支撑,接下来将和松山湖、东莞等共同推进湾区产业界的“对接”,从而为粤港澳大湾区强劲发展增添新的动力,并将为香港和澳门等诸多学科的中子散射研究和应用提供重大发展机遇。自正式开放运行以来供不应求,虽然湾区用户近水楼台先得月,但也吸引了北京、上海等地的用户踊跃前来开展实验,甚至包括英国等地的国外用户。

(记者:马骏 通讯员:张玮、松湖)

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