中國網/中國發展門戶網訊 中國散裂中子源（CSNS）是我國首臺、世界第4臺脈沖型散裂中子源，為基礎科學前沿研究和國家發展諸多領域提供先進的中子散射研究與應用的大型交叉平臺。中國散裂中子源的成功建設，填補了國內脈沖中子源及應用領域的空白，其技術和綜合性能進入國際同類裝置先進行列；顯著提升了我國在相關領域的科學技術水平和自主創新能力，實現了強流高功率質子加速器和中子散射領域的重大跨越，為材料科學、物質科學、生命科學、資源環境、新能源等方面的基礎研究和高新技術研發提供了強有力的支撐。中國散裂中子源的成功建設極大地推動了國家重大科技基礎設施在粵港澳大灣區的發展，為粵港澳大灣區綜合性國家科學中心的建設提供了重要支撐。
同步輻射光源與散裂中子源“珠聯璧合”，是研究物質微觀結構的2種優勢互補“探針”；同步輻射光源也是世教學場地界上著名大灣區的“標配”。粵港澳大灣區未來發展迫切需要建設南方先進光源。粵港澳大灣區重大科技基礎設施的建設應當面對粵港澳大灣區的需求，被納入國家重大科技基礎設施的統一規劃和部署。建議南方先進光源由廣東省人民政府聯合相關城市政府，以及香港和澳門特別行政區政府共同建設，強強聯合，探索出一條粵港澳大灣區科技創新合作的新模式。
重大科技基礎設施是國家科技創新體系的重要單元
20世紀中葉以來，物質結構的研究深入到了原子核和粒子的層次。物理學的基本規律“測不準原理”要求研究的微觀尺度越小，就需要使用能量越高的粒子。粒子加速器可以產生高能量的粒子；能量越高，加速器就必須做得越大。加速器既可以用于粒子物理核物理領域的研究，還能為諸多學科交叉前沿研究提供不可替代的先進平臺，于是大科學裝置應運而生。
重大科技基礎設施，也被稱為大科學裝置，是指為提升探索未知世界、發現自然規律、實現科技變革的能力，由國家統籌布局，依托高水平創新主體建設，面向社會開放共享的大型復雜科學研究裝置或系統；是為高水平研究活動提供長期運行服務、具有較大國際影響力的國家公共設施。按照不同的用途，重大科技基礎設施一般分為3類。
專用設施，為特定學科領域的重大科學技術目標而建設的研究裝置，如北京正負電子對撞機、蘭州重離子冷卻環、超導托卡馬克核聚變實驗裝置、高海拔宇宙線觀測站、“中國天眼”等。這類設施有明確、具體的科學目標，追求國際基礎科學和應用基共享空間礎科學研究的最前沿。依托這類設施開展的研究內容、科學用戶群體也比較特定、集中。
公共實驗交叉平臺，主要為多學科小樹屋領域的基礎研究和應用研究提供支撐平臺，如北京同步輻射裝置、上海光源、合肥光源、中國散裂中子源、北京高能光源、強磁場實驗裝置等。這類裝置為諸多領域的廣大用戶提供交叉研究的實驗平臺和測試手段，為相關基礎科學研究和高科技創新提供關鍵支撐，追求滿足用戶需求，服務全面完整。
公益基礎設施，主要為經濟建設、國家安全和社會發展提供基礎數據和信息服務，如中國遙感衛星地面站、子午線工程、長短波授時系統、西南野生生物種質資源庫等，以滿足國家和公眾的需求。
重大科技基礎設施是國家科技創新體系的重要單元，其工程建設具有鮮明的科學和工程雙重屬性，其設計、研制和工程建設具有綜合性、復雜性、先進性，知識創新和科學成果產出豐碩。它的高新技術溢出和人才集聚效益非常顯著。重大科技基礎設施往往成為發達國家科技創新體系的核心要素，廣泛采用國際合作的方式建設和運行，對國內外用戶高度開放。它不同于一般的科研儀器中心或者平臺，而是需要自行設計研制專用的設備，體量大、投資大、建設和運行隊伍規模巨大。國內外的公共交叉平臺型科技基礎設施往往成為高新科技產業園的核心，重大科技基礎設施體現了國家意志，反映了國家需求，是“國之重器”和“科技利器”，需要國家統籌規劃、統一布局、統一建設、統籌運行與開放。重大科技基礎設施代表著國家的形象，是國家科技實力、經濟實力乃至軟實力的重要標志。
中國散裂中子源面向國家重大需求和基礎科學前沿
建設中國散裂中子源的建議，起源于20世紀90年代末期關于中國高能物理和先進加速器發展戰略研究。面對美國和日本投巨資建設散裂中子源的發展趨勢和國內對脈沖散裂中子源的迫切需求，中國科學院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”）和中國原子能研究院的科學家提出了建設散裂中子源對國家科技發展的必要性。可以找到的最早明確提出建設散裂中子源的書面報告，是1999年2月中國科學院委托高能所研究的粒子物理發展戰略。1999年9月，高能所與中國原子能科學院向科學技術部提交建設中國散裂中子源的建議，并于2000年8月正式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》。
2000年7月，國家科技教育領導小組原則同意中國科學院提交的《中國高能物理和先進加速器技術發展目標》中包括了規劃中國散裂中子源。經過相關領域科學家的深入討論和研究，散裂中子源被列入了國家“十一五”的大科學裝置建設計劃。在中國科學院的支持下高能所和中國科學院物理研究所（以下簡稱“物理所”）的科學家開始進行設計和預制研究。
2011年10月，中國散裂中子源裝置在廣東東莞奠基，總投資23億元。高能所是工程建設的法人單位。這是優化我國大科學裝置布局的重大戰略決策，使得中國科學院基礎研究和應用研究的雄厚實力與珠三角地區雄厚的經濟實力結合起來，促進科技發展和產業升級。中國散裂中子源一期建設內容包括1臺80 MeV直線加速器、1臺1.6 GeV快循環同步加速器、1個靶站，以及3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，去轟擊重金屬靶。金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子；科學家則通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。中國散裂中子源的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，從而有力地促進了我國相關領域高技術的發展。
中國散裂中子源裝置規模龐大，部件繁多，工藝極其復雜，高能所和物理所在制造和安裝過程中克服了重重困難。例如，快循環同步加速器的25 Hz大功率交流磁鐵在我國屬首次研制，其研制過程中遇到了超乎想象的技術挑戰，如鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱等都是技術難關。高能所科研人員與相關廠家聯合攻關，經過6年奮斗，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，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，其性能明顯優于國外散裂中子源。高功率靶站是散裂中子源建設的難關，我國缺乏建設經驗。經過深入研究和設計，高能所確定了水冷鎢靶最佳方案，并同北京鋼研集團安泰公司聯合研發鍍鉭鎢靶系統，其性能達到國際領先水平。此后，安泰公司以此中標歐洲散裂中子源的靶片合同。10多年來國際散裂中子源的運行實踐表明，水冷鎢靶方案綜合性能明顯領先。
2017年8月，中國散裂中子源首次打靶就成功獲得完全符合預期的中子束流，向黨的十九大獻禮。2018年3月，中國散裂中子源按指標、按工期、高質量地完成了工程建設任務，通過了中國科學院組織的工藝驗收，填補了國內脈沖中子應用領域的空白，其技術和綜合性能進入國際同類裝置先進行列。
2018年8月，中國散裂中子源通過了國家驗收委員會驗收。國家驗收委員會認為，中國散裂中子源的性能全部達到或優于批復的驗收指標。裝置整體設計科學合理，研制設備質量精良，靶站最高中子效率和譜儀綜合性能達到國際先進水平。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，顯著提升了我國在高功率散裂靶、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。
通過工程建設，高能所在東莞形成了一支高水平、專業齊全的科學研究、工程技術和工程管理隊伍，成立了東莞分部。東莞分部協同北京本部的雄厚力量，成為粵港澳大灣區國家重大科技基礎設施建設、運行和研究的骨干力量。
中國散裂中子源通過國家驗收后正式進入對用戶開放運行階段，裝置運行穩定可靠高效。2020年2月28日，中國散裂中子源打靶束流功率達到100 kW的設計指標，穩定供束運行，達到設計指標時間比原計劃提前1年半。2022年10月，打靶束流功率達到140 kW，2024年3月達到160 kW，并實現穩定運行，其運行效率居國際散裂中子源之首。
中國散裂中子源裝置目前已完成11輪開放共享，完成了超過1650個科研課題，取得了一大批重要科學成果。相關課題涵蓋了材料科學技術、新能源、物理、化學化工、生命科學技術等多個前沿交叉和高科技研發領域，如鋰離子電池、太陽能電池結構、稀土磁性、新型高溫超導、功能薄膜、高強合金、芯片單粒子效應等。典型的成果包括：對國產高鐵車輪進行內部深度殘余應力測量，對高鐵車輪的安全性和提速具有重大意義；利用中子的穿透能力和對復雜組分的定量識別能力，研究創世界紀錄的超強且韌性優良的超級鋼，準確測量了超級配分鋼中位錯密度演化，發現了新的位錯機理；對鋰電池的性能進行中子原位測量，研究汽車鋰電池的結構特征和鋰離子在充放電循環過程的輸運行為，對鋰電池性能提高具有重要意義。
2022年12月，中國散裂中子源二期工程可行性研究報告獲得國家發展和改革委員會批復；2024年1月，獲準正式動工。二期工程建成后，中國散裂中子源的譜儀數量將增加到20臺左右，覆蓋廣大用戶各方面研究領域。同時，加速器打靶束流功率將提高到500 kW。新的譜儀和實驗終端建成后，中國散裂中子源的設備研究能力將大幅提升，實驗精度和速度將極大提高，能夠測量更小的樣品、研究更快的動態過程，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。
中國散裂中子源積極推動相關技術成果轉化。硼中子俘獲治療（BNCT）是中國散裂中子源技術產業化的第一個大型項目。BNCT采用放射與藥物結合的二元、靶向、細胞級精準放療方法，具有非常好的發展前景。具有完全自主的知識產權的BNCT臨床設備已經在東莞市人民醫院安裝就緒，即將開始臨床試驗。BNCT將成為繼質子放療，重離子放療后的第3種粒子放療技術，并可能發展成為普惠醫療設備，進入地市級醫院，服務人民健康。
建設南方先進同步輻射光源
同步輻射光源與散裂中子源都是研究物質微觀結構的理想“探針”，兩者優勢互補，廣泛應用于材料科學、物理學、生命科學、化學化工、新能源、資源環境等多個重要研究領域。同步輻射產生非常強的X射線，與原子外的電子相互作用，對較重的原子敏感。但對輕元素，特別是氫、氦、氧、氮等能源和生命科學領域的關鍵元素，探測效率就大幅下降。然而，這恰恰是散裂中子源的中子散射所擅長的。由于中子不帶電，穿透性強，可研究高溫、高壓、極低溫、強磁場等極端條件下的物質特性，能區分輕的元素和同位素。中子具有磁矩，在研究磁性材料、超導機制、量子材料等方面具有特別優勢。中子在研究大型工程部件的殘余應力和服役性能具有獨特的優勢。散裂中子源造價高、技術復雜，而且與同步輻射裝置相比中子強度低、探測困難、實驗難度高，因此世界上只有4臺散裂中子源。但是，許多前沿科學的關鍵問題和國家重大戰略需求問題只有用散裂中子源才能解。同步輻射光源在實驗效率上則具有很大的優勢，可以快速得到實驗結果，每年可接待的用戶數量遠高于散裂中子源。很多用戶進行的研究項目，需要同時用到這2種研究手段。因此，國外中子源旁邊往往會建設一臺同步輻射光源。例如，英國盧瑟福國家實驗室，瑞士保羅謝勒研究所（PSI）、瑞典隆德（Lund）、法國格勒諾布爾（Grenoble）等研究中心都同時擁有這2種大科學裝置，“珠聯璧合”瑜伽場地，形成強大的研究能力，吸引大批科學家來開展實驗，促進學科的交叉融合，獲得豐碩科學和應用成果，成為世界重要的科技研究中心。
中國同步輻射光源建設起步于20世紀80年代，目前在北京、上海、安徽合肥及臺灣新竹共有4臺光源，涵蓋了從第一代到第三代同步光源。位于北京懷柔的第四代高能同步光源（HEPS，6 GeV）預計2025年底通過驗收，與此同時，合肥也正在建設低能區第四代同步輻射光源（2.2 GeV）。粵港澳大灣區科技實力雄厚，用戶群體龐大，急需建設先進同步輻射光源，以滿足迅速增長的用戶需求，特別是大批生命科學樣品不適宜長途運輸到其他同步輻射光源。因此，立即規劃和建設南方先進光源已經提上日程。實際上，同步輻射光源是世界上著名大灣區的“標配”，如舊金山灣區的伯克利光源、紐約灣區的布魯克海文國家實驗室光源、東京灣區筑波的KEK（高能加速器研究組織）光源等。
廣東省委、省政府于2017年8月提出了依托中國散裂中子源建設先進同步輻射光源的構想，希望高能所能夠給予支持并承擔建設任務。中國科學院與廣東省人民政府于2018聚會年11月在廣州簽署《共同推進粵港澳大灣區國際科技創新中心建設合作協議》。作為重點合作項目，高能所與東莞市簽署了《關于推進南方光源重大科技基礎設施建設合作協議》，正式啟動南方光源前期工作。東莞市政府支持建設的南方光源研究平臺已經投入運行。南方光源定位于中能（3.5 GeV）第四代同步輻射光源，與國內已有和在建的第四代同步輻射光源相互九宮格補充。該建議得到了粵港澳大灣區科技界和產業界的熱烈響應，需求極為強烈。迄今，已經召開了10多次用戶會議，廣泛聽取了用戶對南方光源建設方案和實驗線站的意見，優化了設計方案。
與中國散裂中子源工程的建設不同，國內對于同步輻射光源建設運行有很多的經驗積累。高能所建設的北京HEPS已經按計劃順利完成工程建設，開始調束，預計2025年底通過驗收。它將成為世界上最亮的同步輻射光源。HEPS建設積累的技術、隊伍和裝備，大部分能夠在南方光源的建設中發揮支撐作用，從而降低工程建設的難度和造價。
已建成的中國散裂中子源和規劃建設中的南方先進光源，將形成多種研究手段互補的大科學裝置集群，這對于粵港澳大灣區綜合性國家科學中心的建設具有十分重要的意義。南方先進光源將把服務粵港澳大灣區的產業發展作為重要的定位之一。南方先進光源在服務基礎和應用基礎研究的同時，將特別面向粵港澳大灣區先進產業的科技創新和產業升級，潛力巨大。
對國家重大科技基礎設施在粵港澳大灣區發展規劃的若干思考
經過幾十年的發展，我國擬建、在建和運行的國家重大科技基礎設施總量已經達到77個，其中32個已建成運行。此外，還有一批由有關部委支持建設的重大科技基礎設施。雖然總的數量和種類已經接近發達國家水平，但多數裝置的綜合性能、實驗終端的數量和性能與發達國家差距較大。特別是科學產出差距更為突出，重大科技創新成果較少，對產業的支撐能力不足，不能滿足創新驅動國家發展戰略，支撐高水平科技自立自強的迫切需求。
過去幾個“五年計劃”的重大科技基礎設施規劃曾經過于集中在新建設施，對已有設施的升級改造和研究投入嚴重不足。從“十四五”開始，這種現象已經明顯扭轉。從發達國家的經驗來看，將重大科技基礎設施的經費過分集中于新建設施，顯然是不能持續的。應當繼續加大國家和地方政府的投入力度，在部署一批新的重大科技基礎設施的同時，更要重視現有設施的升級改造。應當重點支持為國家發展戰略必爭的關鍵領域，支撐高水平自立自強的設施，努力做到高起點高水平、適度超前發展，全方位服務國家發展戰略。重大科技基礎設施部署應當要求明確的科學技術目標和用戶群體，力求綜合性能先進、符合國情。
重大科技基礎設施的規劃要考慮裝置的全生命周期，重視裝置的立項和建設，同時必須認真考慮它們的運行開放維護費用（年運行費用一般為建造費用的10%左右）、后續實驗設施的建設及升級改造的經費來源，并必須保證穩定支持科學研究經費。目前，一些新建設施的方案往往盲目追求單項指標“世界第一”的宣傳噱頭，而不充分考慮設施的綜合性能和支撐用戶實驗的能力。
近年來，由于重大科技基礎設施產生的社會影響和輻射效應，不少地方紛紛提出建設重大科技基礎設施的宏大計劃。地方政府關心科技創新的熱情可嘉，但部分地方已經出現過熱苗頭，可能帶來嚴重問題，必須引起高度重視。如果不考慮科技發展的實際需求和設施建設的可行性，實際成為體現地方政府的“科技創新政績工程”，低水平重復，很可能造成嚴重的浪費，甚至出現“爛尾工程”。這將挫傷各方對建設重大科技基礎設施的積極性，影響其持續發展。此外，地方政府具備建設重大科技基礎設施的經濟實力和愿望很重要，但這遠不是充分條件——必須充分考慮裝置建設的可行性，特別是具有一支高水平的科學技術、工程建設和管理隊伍。這不是引進一兩個“帥才”就能解決的，也不能依賴高薪“挖”正在建設和運行的國家重大科技基礎設施隊伍的“墻角”來拼湊起一支勝任工程建設隊伍。
因此，必須繼續堅持國家統一規劃和部署重大科技基礎設施建設的原則，堅持以國家科技發展的戰略需求和用戶需求為導向。為了充分調動地方政府參加大科學裝置建設的積極性，建議將新建重大科技基礎設施的地方共建部門從現有的裝置所在省市適當擴展到由鄰近城市共同承擔。這樣可以集中力量辦大事，滿足更多省市參與建設重大科技基礎設施的愿望，并減小地方政府承擔匹配建設經費的壓力，優化資源配置，以建設國際先進的高水平設施，加快實驗終端的建設步伐。基于此，建議南方先進光源由廣東省人民政府聯合相關東莞市和深圳市政府，以及香港和澳門特別行政區政府共同建設，強強聯合，從而探索出一條粵港澳大灣區科技創新合作的新模式。該建議已得到有關各方的積極響應。
中國散裂中子源在廣東省東莞市的成功建設吸引了多項國家重大科技基礎設施落戶粵港澳大灣區，包括正在惠州建設的強流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅動次臨界系統（CiADS）。粵港澳大灣區以其雄厚的經濟實力、高度改革開放和對科技創新的大力支九宮格持吸引了“十四五”國家規劃的重大科技基礎設施項目的30%，成為名副其實的重大科技基礎設施的新高地。重大科技基礎設施的規劃和建設是粵港澳大灣區綜合性國家科學中心建設的重要組成部分。粵港澳大灣區的基礎科學研究、科技創新和高技術產業對重大科技基礎設施有巨大的需求，特別是迫切需要建設南方先進光源。但是，粵港澳大灣區重大科技基礎設施的規劃必須被納入國家重大科技基礎設施的統一規劃和部署——這是粵港澳大灣區重大科技基礎設施持續發展的基本條件之一。同時，粵港澳大灣區內部要加強統一規劃，相鄰城市和特別行政區共同承擔國家重大科技基礎設施工程的建設，集中力量辦大事，使南方先進光源成為粵港澳大灣區綜合性國家科學中心的旗艦項目，探索出一條大灣區科技創新合作的新模式。
（作者：陳和生，中國科學院高能物理研究所。《中國科學院院刊》供稿）