散斑实验装置

作者：倪思洁 来源：中国科学报8月中旬，广东东莞。天气时晴时雨，空气潮湿闷热，郁郁葱葱的荔枝林里，我国迄今为止已建成的、单项投资规模最大的大科学工程——中国散裂中子源正在进行暑期停机检修。2018年8月23日，中国散裂中子源项目通过国家验收，正式投入运行。从那时起，这片昔日的荔枝林里，人气就起来了。这里的年均公众参观访问量超1万人次，最火爆的一次线下科普活动中，科研人员半天里就接待了6000人次，前来参观的小汽车一直从中国散裂中子源的大门口排到高速路口。不仅如此，科学界和产业界对中国散裂中子源机时的竞争也很激烈，项目申请书逐年成倍增加，以至于每100份申请书中，只有29份能成功。这台已运行4年的大装置为何如此“火爆”？趁着停机检修，《中国科学报》记者深入实地一探究竟。红的、绿的、蓝的、黄的… … 好看：五彩斑斓的“黑科技”每年，中国散裂中子源都会放“暑假”，停机时间长达一个半月到两个月，这段时间，科研人员要给装置做“保养”。中国散裂中子源是由国家发改委立项支持建设的国家重大科技基础设施，法人单位是中国科学院高能物理研究所。这个装置让中国成为继英国、美国、日本后世界第四个拥有脉冲散裂中子源的国家。散裂中子源常被比作“超级显微镜”，因为它能够用加速器加速质子打到靶上产生的中子，来探索物质微观结构。它的源头——加速器系统，像卧龙一般，藏在地下。地下17米，空调和新风系统让原本湿热的空气变得干爽。沿着亮绿色走道向前，人们能看见一个五彩斑斓的“黑科技”世界。黄色的是可以让粒子“飞奔”起来的漂移管直线加速器系统，蓝色的是可以把粒子聚成一束的四极磁铁，红色的是可以让粒子以15度角“拐弯”的二极磁铁… … 它们先是串成一条长串，之后又围出一个大环。长串部位是直线加速器，环形部位是快循环同步加速器。看似庞大笨重的装备，安装精度要达到10微米到百微米级别，使得自然界微小的物质-质子，能够按要求得到控制并加速。一旦运行起来，每1秒钟，快循环加速器会像旅游大巴一样“接待”25波等待加速的负氢离子。每波负氢离子“上车”后，会转换为质子，并在0.02秒里沿着快循环同步加速器跑约20000圈，直到速度达到0.92倍光速。接着，接近光速的质子束像“微型子弹”一样，冲向重金属靶，金属靶的原子核被撞“碎”，科学家又用特殊装置把“碎片”里不带电的中子降速后，引入一台台谱仪中。谱仪位于离加速器隧道不远的地方，同样五彩斑斓。中国散裂中子源一期共建了3台谱仪，分别是有着绿色外壳的通用粉末衍射仪、小角中子散射仪，以及有着蓝色外壳的多功能反射仪。4年来，中国散裂中子源还与粤港澳大湾区高校、研究机构等合作建设了若干条谱仪，以满足全国及地方研究机构和企业的需求。红的、绿的、蓝的、黄的… … 以靶站为中心，已经建成和正在建设的谱仪向四面伸展，让中国散裂中子源看起来像一朵绽放的七色花。“我们的设备国产化率达到90%以上。”散裂中子源科学中心主任、中国科学院高能物理研究所副所长陈延伟告诉《中国科学报》，全国近百家合作单位完成了装置各项设备的研制与批量生产，许多设备达到国际领先或先进水平。5000、97%、800、122%… … 好用：超级显微镜的“超能力”在中国散裂中子源，科研人员喜欢用数字说话。最让他们自豪的一个数字是“5000”。在这里，时间不按年、月、日算，而是按小时算。“我们每年打靶提供中子束流的时间在5000个小时。”陈延伟说。5000小时，意味着一年8700多小时里，中国散裂中子源大部分时间都在产生中子，开展实验。“国际上的其他三台散裂中子源，英国、日本每年的中子束流时间一般都在4000小时左右。”陈延伟说。另一个让他们自豪的数字是“97%”。“2020年到2021年，我们的实际运行效率超过了97%，这是全球其他散裂中子源都无法达到的效率。”散裂中子源科学中心副主任、中国科学院高能物理研究所研究员王生说，实际运行效率是散裂中子源实际运行时间与计划运行时间的比值。数字越高，说明散裂中子源故障率越低，按计划运行的稳定性更好。在描述中国散裂中子源的运行成效时，他们则喜欢用课题的数量来说明。“4年，中国散裂中子源开放运行8轮，共完成800余项课题，重点支持国家重大需求项目的机时。”陈延伟说。面向国家重大需求，他们完成了航空航天发动机叶片应力测试，对“奋斗者”号焊接工艺进行验证… … 面向世界科技前沿，他们开展了超级钢、分子筛吸附剂、量子材料等研究。面向经济主战场，他们在高性能芯片、电池、材料、应力检测等领域，为钢铁研究总院、国电电力发展股份有限公司、中国石油天然气集团有限公司等高技术企业和研究机构提供了重要支撑。面向人民生命健康，他们在2020年8月成功研制出我国首台具有完全知识产权的硼中子俘获治疗实验装置，并于今年7月底在东莞市人民医院开始安装。好的数据和成果，使用户像滚雪球一般激增。陈延伟介绍，目前，注册用户已超过3800人，2021至2022年度申请课题数同比增长了122%，课题申请的通过率为29%。提功率、优性能、加终端、做交叉… … 好谋：未来的“小目标”日渐激增的机时申请和正在加剧的科技战，让中国散裂中子源的“升级”成为现实需求。早在工程设计之初，科研人员就为装置升级预留了空间。正因如此，未来可以直接在一期工程的基础上升级改造。陈延伟介绍，目前，中国散裂中子源已经完成一期的全部设计指标。2020年2月，打靶束流功率达到100千瓦的设计指标，比原计划提前一年半；2022年2月，打靶束流功率达到125千瓦，超过设计指标25%，并且实现了稳定高效运行，大幅度地提高了装置性能。提升打靶束流功率，会使装置在同等时间里生产出更多中子，进而使实验时间缩短，样品分辨率提高。“就好比白天光线强时拍照，曝光时间会比晚上拍照时短，而且拍出来的照片也会更清晰。”陈延伟解释。科研人员对未来的“小目标”之一，就是将打靶束流功率提升到500千瓦，让中子源变得更“亮”。此外，散裂中子源科学中心副主任梁天骄介绍，中国散裂中子源升级改造后，有望覆盖用户需求的绝大部分领域，满足更多尺度结构和动力学表征，为多学科交叉研究提供更有力的支撑。如今，趁着暑期停机检修，这里的科研人员正在为即将安装的新谱仪和实验终端做前期准备。对于该装置未来的进展，《中国科学报》还将持续关注。中国散裂中子源加速器局部 李子锋摄王生向记者介绍直线加速器工作原理 倪思洁摄蓝色的四级磁铁 倪思洁摄红色的二级磁铁 倪思洁摄中国散裂中子源部分线站与实验终端 李子锋摄

“从我杭州的实验室到上海张江，开车只要2小时，遇到需要好多天才能完成的实验时，还可住在专供用户的招待所，非常方便。”浙江大学药学院张海涛研究员几乎每两个月就要来一次蛋白质科学研究（上海）设施做实验。从他在中国科学院上海药物研究所读博到在浙江大学建立独立课题组，一直依托上海的大科学装置开展研究。  “从常州开车到复旦大学江湾校区，也就2个半小时，不是什么问题。”江苏天合光能股份有限公司“光伏科学与技术”全国重点实验室副主任殷丽告诉记者，他们正与复旦大学共建这一重组的实验室。  不到4%国土面积的长三角，不算“大”。在科技创新一体化的新语境下，对于身处其中的人，更觉其“小”。这样的“工作半径”成为常态，折射出长三角战略科技力量协同的内在吸引力，正日益强劲。  大科学装置的长三角用户  人的组胺受体H3R是治疗睡眠性疾病、阿尔兹海默症、精神分裂症以及肥胖的重要药物靶标，但人们一直不清楚它的蛋白结构长什么样，导致相关药物研究非常困难。2022年10月，张海涛团队应用蛋白质科学研究（上海）设施，首次解析了H3R与拮抗剂复合物的晶体三维结构，为药物设计提供了结构基础，研究成果发表在国际学术期刊《自然通讯》上。  “这可能是第一个应用国内大科学装置解析的G蛋白偶联受体（GPCR）结构，以往大家都习惯把实验样品寄到美国、日本去收集实验数据。”张海涛告诉记者，蛋白质科学研究（上海）设施在软硬件上向国外先进的大科学装置对标看齐，比如高通量自动化上样机器人、自主研发的自动化数据处理软件等。不仅如此，这里还提供国外不具备的定制化技术解决方案，优化同步辐射X射线的相关参数。借助蛋白质科学研究（上海）设施高效率、自动化的设备，最快只需2分30秒就可以看清一个蛋白质结构，且接近原子分辨率，相当于看清一根头发丝直径的几十万分之一。作为全球生命科学领域首个综合性大科学装置，该设施已为近450家科研单位和企业的1985个课题组提供服务，其中长三角用户占比64.2%，不仅为长三角地区的科研和产业发展提供了高效服务，而且为我国蛋白质科学基础研究和科技创新提供了有力支撑。  同样在张江的上海光源，是我国目前用户数量和成果产出最多的大科学装置，推动了我国结构生物学跨越式发展，为新药研发提供了重要手段。截至2023年11月底，其为近700家科研单位和企业的3748个研究组提供服务，平均每年约4500人次，与欧美同类光源相当。其中，长三角用户占比44%。  大科学装置有着难以量化的“溢出”效应。上海聚焦和服务国家战略，围绕光子、生命、能源、海洋、人工智能等领域布局大科学装置集群，已建、在建和规划建设的设施多达20个，为中国的原始创新提供“国之利器”。  全国重点实验室的长三角力量  “和复旦大学光电研究院合作带来很多视野开阔的奇思妙想，我们彼此交流碰撞、优势互补。”殷丽说。  作为光伏行业龙头企业，天合光能在2013年就是全国最早一批承建国家重点实验室的企业之一。2023年3月，实验室融入高校力量进行重组，从聚焦产业化技术研究，转为以应用基础研究为主、同时探索基础研究，不仅瞄准行业共性技术难题，也为攻克“卡脖子”问题积蓄力量。  据悉，天合光能与复旦大学光电研究院正在商讨联合培养机制，旨在一方面为企业定向培养优秀技术人员，另一方面为复旦在培研究生提供实习场地。  “我们希望借由全国重点实验室这一平台吸引更多人才，相信接下来的合作将启动‘加速度’。”殷丽话里透着期待。  为加快探索长三角科技创新和产业创新跨区域协同，今年3月，在虹桥国际开放枢纽2024年工作现场会上，另有一批全国重点实验室共建单位签约。其中，中国科学院上海微系统与信息技术研究所及浙江新创纳电子科技有限公司将共建集成电路材料全国重点实验室；浙江中电海康集团有限公司与南京大学将共建自旋芯片与技术全国重点实验室；安徽科大讯飞股份有限公司与上海浦东发展银行股份有限公司将共建认知智能全国重点实验室……  新质生产力的长三角期待  “东边日出西边雨”，从中国古诗的生动描述中亦可看出天气的复杂多变。长期以来，传统预报方式难以做到高分辨率预测。3月1日，上海人工智能实验室联合国家气象中心、国家气象信息中心、南京信息工程大学、香港科技大学、中国科学技术大学等发布全球高分辨率气象预报大模型“风乌GHR”，首次借助人工智能实现对中期天气进行10公里级的建模与预报，相比第一代“风乌”等人工智能气象大模型的预报分辨率提升超7倍，洞悉“十里不同天”不再是难事。  这是长三角乃至更大范围战略科技力量协同的又一经典案例。不断深化的区域协同创新能力已成为长三角一体化高质量发展格局的重要内涵和关键路径。  今年1月，《2023长三角区域协同创新指数》发布，自2018年长三角一体化高质量发展上升到国家战略以来，指数年均增速高达11%，三省一市科技创新一体化建设成效初显。  从5项一级指标变化情况来看，“成果共用”增幅最大，从2018年到2022年的年均增速达29%；其次是“资源共享”和“创新合作”，相对而言，“产业联动”和“环境支撑”两个指标发展增速稍显缓慢。上海持续发挥龙头引领地位，带动长三角地区科技合作和创新一体化，杭州、南京、苏州、合肥紧随其后，成为长三角跨区域协同创新的重要枢纽。  长三角作为中国经济重要的增长极之一，未来可以在哪些重点领域加大战略科技力量协同、培育发展新质生产力？  上海市科学学所统计评价研究室主任张宓之建议，首先，战略科技力量要发挥战略使命的功能导向，瞄准产业的共性技术突破，在事关科技、产业和供应链安全的主要领域——尤其是集成电路、生物科技等领域加强合作。在这方面，上海、江苏的基础力量和科研优势更明显，安徽、浙江在应用开发和国产化替代方面可优先试点。其次，战略科技力量要作为世界科技前沿技术的突破口，重点把张江、合肥的重大科学基础设施利用好，更好地服务产业端的技术创新研究，力争加速在光子芯片和器件、生物医药、纳米材料、量子科技、核能科技等前沿技术领域产业化等方面取得突破。

最近，《中国科学报》一篇名为《“第一缕曙光”的美丽与哀愁》的报道，读后让人真的感到很哀愁。 　　探测“宇宙第一缕曙光”，是当代天体物理领域一个非常前沿的课题。它的主要科学目标是研究“宇宙在大爆炸后什么时刻形成第一代恒星”，进而揭示宇宙从黑暗走向光明的历史。2007年建成的21CMA项目，被《科学》、《自然》杂志称为“可得诺奖的举措”。 　　让人大跌眼镜的是，耗资3000万元的21CMA建成后从未正常运行过。而且，由于很难再筹措到运行经费，今年8月份21CMA可能再次面临被关闭的命运。 　　据报道称，21CMA项目所面临的困境并非个案。很多已建成的科学装置，包括一些花钱更多的大科学装置，目前处于闲置和半闲置状态。这无疑是一种巨大的浪费。 　　是什么原因导致如此多的科学装置成了鸡肋?笔者认为，有两个原因不容忽视：一是科研立项时论证不严谨、审批不严格，二是科学装置类项目管理上的“重建设、轻运行”。 　　据业内人士介绍，有的科研课题在立项时未经同行专家的严格论证，有的项目提出人专门找“同意”的专家来论证，有的项目则是“领导拍板”。这就导致一些课题项目在未充分论证的情况下就仓促上马。 　　此外，我国的科学装置工程一直存在着“重建设、轻运行”现象。相关部门往往是在装置建设之初很有热情，愿意花大功夫、投大力气，到后期运行时就缺乏系统的管理，当出现困难时甚至撒手不管。 　　如何防止类似的事情重演? 　　首先要把好课题立项和项目审批关。比如，在一个项目上马之前，必须经过多方权威专家长期深入调研和充分客观论证，不能只听一种声音。特别是对于像21CMA这类可能取得重大突破但预知风险大的项目，在立项时更要论证充分，对项目技术方案的可靠程度、运行存在的困难等，尽可能做到心中有数。同时，在立项前要科学评估出心理所能承受的最大风险系数，当评估结果在这个系数以上时，就要慎之又慎、三思而行。 　　立项审批关把好了，不仅科研经费能得到有效合理的分配，避免“饿的饿死、饱的撑死”，同时也可有效防控科研项目的重复设置和科学装置的闲置。 　　同时，要重视和加强对科学装置的运行管理。经过严格审批的项目上马建成之后，应成立专门的机构来维持运行。相关部门应给与充分信任，保证持续稳定的经费投入。如果项目在运行中遇到困难，也要尽最大能力帮助解决问题，不宜轻言放弃。