大科學(xué)裝置“扎堆”粵港澳大灣區(qū)
南方網(wǎng)訊 廣東東莞腹地，松山湖科學(xué)城中子源路盡頭，數(shù)十臺(tái)工程機(jī)械忙碌施工，在巍峨山腳下平整出一片開闊的空地，這里就是正在建設(shè)中的南方光源研究測(cè)試平臺(tái)項(xiàng)目的建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)。這一平臺(tái)將為南方先進(jìn)光源的前期預(yù)研和工程建設(shè)提供關(guān)鍵支撐。
南方光源全稱南方先進(jìn)光源（SAPS），是繼中國(guó)首臺(tái)散裂中子源之后，計(jì)劃在東莞布局建設(shè)的又一重要的國(guó)家大科學(xué)裝置，未來將為粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供重要支撐。
為什么要建設(shè)南方光源？將選擇怎樣技術(shù)方案？與散裂中子源之間有何關(guān)系？建成后將發(fā)揮哪些重要作用？日前，南方日?qǐng)?bào)記者專訪南方光源項(xiàng)目籌建負(fù)責(zé)人，全方位解析大科學(xué)工程的“建設(shè)密碼”。
同步輻射光是什么？
與散裂中子源互為“姐妹花”
日前，香港大學(xué)機(jī)械工程系黃明欣教授團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性提出一種新的作用機(jī)制，獲得了強(qiáng)度、韌性、延展性俱佳的低成本新型鋼材，并且相關(guān)研究成果在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science》發(fā)表。
而中國(guó)散裂中子源，為這一成果提供了重要的研究手段支持。建成運(yùn)行1年半以來，中國(guó)散裂中子源正以越來越多世界級(jí)創(chuàng)新成果，顯示著“國(guó)之重器”的巨大能量。如今，在廣東省、東莞市與中科院大力支持下，南方先進(jìn)光源的身影也漸行漸近。
擬建的南方先進(jìn)光源，是一臺(tái)衍射極限第四代同步輻射光源，與散裂中子源一樣同為觀測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的大科學(xué)裝置。二者相輔相成，可以為我國(guó)的科技創(chuàng)新和科學(xué)前沿研究提供最先進(jìn)的研究手段。
同步輻射的原理其實(shí)并不復(fù)雜，想象一下在雨中快速轉(zhuǎn)動(dòng)雨傘時(shí)，沿傘邊緣的切線方向會(huì)飛出一簇簇水珠。而速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，就是同步輻射。同步輻射光從本質(zhì)上說是一種高亮度的X射線。
由于同步輻射光具有的高強(qiáng)度、寬波譜、高準(zhǔn)直等一系列優(yōu)點(diǎn)，在物理學(xué)、化學(xué)化工、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。
中國(guó)同步輻射光源建設(shè)起步于上世紀(jì)，目前分別位于北京、上海、安徽合肥及臺(tái)灣新竹，涵蓋了從第一代到第三代同步輻射光源。在這樣的背景下，2017年8月，廣東省委、省政府提出了在中國(guó)散裂中子源周邊建設(shè)先進(jìn)同步輻射光源的構(gòu)想，希望中科院高能所能夠給予支持并承擔(dān)建設(shè)任務(wù)。2018年11月，中科院與廣東省政府在廣東簽署《共同推進(jìn)粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心建設(shè)合作協(xié)議》，作為重點(diǎn)合作項(xiàng)目，中科院高能所與東莞市簽署了《關(guān)于推進(jìn)南方光源重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)合作協(xié)議》，正式啟動(dòng)南方光源前期工作。
聚集效應(yīng)突出
大科學(xué)裝置常常做“鄰居”
從探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的功能角度看，同步輻射光源與散裂中子源的作用存在許多相似之處，都被當(dāng)做理想的“探針”，然而在業(yè)內(nèi)人士看來，這兩者之間更多是互補(bǔ)，并且在某些領(lǐng)域無法相互替代。
同步輻射光主要與原子外圍的電子云發(fā)生相互作用，因此原子的外圍電子越多，它就看得越清晰，探測(cè)較重的原子是它的強(qiáng)項(xiàng)，但若遇上外圍電子稀少的輕元素，如氫、氦等，同步輻射的探測(cè)效能就大打折扣。而這恰恰是中子散射所擅長(zhǎng)的。
中科院高能所東莞分部副主任王生表示，由于中子不帶電，穿透性強(qiáng)，可研究高溫、高壓、極低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)等極端條件下的物質(zhì)特性，同時(shí)由于中子具有磁矩，在研究磁性材料方面具有特別優(yōu)勢(shì)。而同步輻射光源在實(shí)驗(yàn)效率上則具有優(yōu)勢(shì)，可以更快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每年可接待的用戶數(shù)量遠(yuǎn)高于散裂中子源。
“很多用戶進(jìn)行的研究項(xiàng)目，需要同時(shí)用到兩種研究手段。這也是為什么國(guó)外散裂中子源旁邊往往會(huì)建設(shè)一臺(tái)光源?！蓖跎硎?。
英國(guó)盧瑟福國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就聚集了多種大科學(xué)裝置，在吸引尖端人才、促進(jìn)學(xué)術(shù)交流合作等方面發(fā)揮巨大的綜合效應(yīng)。但實(shí)際上，兩種裝置經(jīng)常成為“鄰居”背后，還有另一層考量。
“大科學(xué)裝置并不是一個(gè)孤立的裝置，還有一系列配套的基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)體系。裝置建成之后，還有后續(xù)的運(yùn)營(yíng)和使用?！蓖跎e例道，裝置運(yùn)行過程中，每年要投入大量的人力物力，散裂中子源就有300多人的專職隊(duì)伍負(fù)責(zé)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，保障運(yùn)行和開放。
“兩個(gè)裝置建在一起，還可以極大方便用戶。好比去醫(yī)院，既能在一個(gè)科室做CT，也能直接到隔壁做核磁共振，而不必要再到很遠(yuǎn)的地方重新檢查?！敝锌圃焊吣芩彼L(zhǎng)、東莞分部主任陳延偉說，“實(shí)際上，大科學(xué)裝置放到東莞，作用已經(jīng)逐步體現(xiàn)出來。以大裝置為核心，松山湖正在建松山湖科學(xué)城，縱觀國(guó)內(nèi)外的科學(xué)中心，也都是以大科學(xué)裝置作為牽頭和引領(lǐng)，廣東現(xiàn)在也具備了這樣的條件?！?/span>
以用戶需求為導(dǎo)向
建設(shè)世界先進(jìn)的第四代同步輻射光源
一般來說，亮度是評(píng)價(jià)光源性能的最重要指標(biāo)，亮度越高，就能更快速清楚地掌握觀測(cè)對(duì)象的信息。而第四代同步輻射光源的亮度可以比上一代提升兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于亮度提高成百上千倍，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)能力也必然大幅提升。
“按照構(gòu)想，未來南方光源將是位于中能區(qū)的世界上亮度最高第四代同步輻射光源之一，其中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)眾多?！蓖跎榻B道，只有通過開展預(yù)研，進(jìn)行必要的技術(shù)和隊(duì)伍積累，才能真正開工建設(shè)。而這正是目前南方光源測(cè)試平臺(tái)和預(yù)研項(xiàng)目所要達(dá)成的目的。
南方光源研究測(cè)試平臺(tái)和預(yù)研項(xiàng)目，是未來南方先進(jìn)光源建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。通俗地講，預(yù)制研究實(shí)際上是解決工程建設(shè)中技術(shù)上的所有的“攔路虎”，對(duì)工程建設(shè)中涉及的所有關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行攻關(guān)，以達(dá)到最大程度降低工程風(fēng)險(xiǎn)，并加快工程建設(shè)進(jìn)程。
王生表示，目前的預(yù)研項(xiàng)目的實(shí)施，再次得到了廣東省和中科院的大力支持，預(yù)研項(xiàng)目的研究成果，不但對(duì)于南方先進(jìn)光源的工程建設(shè)具有重要意義，也將全面提升我國(guó)先進(jìn)同步輻射光源的建設(shè)和應(yīng)用水平。
與中國(guó)散裂中子源工程的建設(shè)不同，國(guó)內(nèi)對(duì)于同步輻射光源建設(shè)運(yùn)行已經(jīng)有累積了不少經(jīng)驗(yàn)。圍繞建設(shè)什么樣的南方先進(jìn)光源，散裂中子源科學(xué)中心組織了多次用戶研討會(huì)，希望加快確定南方先進(jìn)光源的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。目前基本形成了“建設(shè)一臺(tái)國(guó)際先進(jìn)水平的中能區(qū)衍射極限先進(jìn)同步輻射光源”的共識(shí)。
“建設(shè)方案的選擇，一個(gè)是要參考國(guó)際上現(xiàn)有裝置建設(shè)情況，以此確定相關(guān)性能指標(biāo)，建成一個(gè)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平、甚至領(lǐng)先水平的裝置。”王生表示，作為一個(gè)面向用戶的裝置，更重要的一點(diǎn)是根據(jù)用戶的需求來確定裝置的指標(biāo)。“既要滿足目前用戶的需求，同時(shí)也要考慮光源建成以后，至少未來20—30年內(nèi)不斷增長(zhǎng)的用戶需求?！?/span>
“南方先進(jìn)光源將把服務(wù)粵港澳大灣區(qū)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為重要的定位之一。南方光源在服務(wù)于基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究的同時(shí)，將更加注重和大灣區(qū)的先進(jìn)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合，在這方面潛力巨大，未來有望為大灣區(qū)的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和升級(jí)做出重要的貢獻(xiàn)。
觀點(diǎn)
廣東應(yīng)形成大科學(xué)工程建設(shè)合力
利用大科學(xué)裝置群“照亮”大灣區(qū)科創(chuàng)路
“大科學(xué)裝置已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)諸多領(lǐng)域要取得突破的必要條件，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)國(guó)家安全必不可少的特殊基礎(chǔ)設(shè)施，還有一個(gè)最重要的就是它能夠成為眾多高新技術(shù)的源泉和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的搖籃?！标愌觽ケ硎?，基于這一背景，目前社會(huì)各界對(duì)于大科學(xué)裝置的重要作用越來越認(rèn)可，也因此很多地方提出要加大投入支持大科學(xué)裝置建設(shè)。
近期提出的新基建中，就特別提到了推動(dòng)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。根據(jù)中科院重大科技基礎(chǔ)設(shè)施共享服務(wù)平臺(tái)官網(wǎng)提供的介紹，中科院是承擔(dān)我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行的主要力量，目前共有運(yùn)行設(shè)施20個(gè)，在建設(shè)施11個(gè)。這些設(shè)施按應(yīng)用目的可分專用研究設(shè)施，公共實(shí)驗(yàn)設(shè)施，公益科技設(shè)施等三種。
“散裂中子源和南方光源，都屬于公共實(shí)驗(yàn)設(shè)施的一種。這類設(shè)施可以為多學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究等提供強(qiáng)大支持，是非常好的平臺(tái)，但是它不是一般的科學(xué)儀器?！标愌觽ブ赋?，大科學(xué)裝置建設(shè)規(guī)模大、投資大，建設(shè)周期長(zhǎng)、技術(shù)綜合復(fù)雜，并且要在建設(shè)中研制大量的非標(biāo)設(shè)備，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程。
大科學(xué)工程建設(shè)，具有“科學(xué)”和“工程”兩方面的屬性。一方面要尊重科學(xué)規(guī)律，如何建、何時(shí)建、哪里建，必須由國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃和部署，再經(jīng)過一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腻噙x和論證過程來決定；另一方面，建設(shè)大科學(xué)工程，還要有一套科學(xué)工程的管理體系。
陳延偉表示，嚴(yán)格的國(guó)家層面論證、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)工程管理體系，以及一支經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)過硬、綜合能力突出的高水平人才隊(duì)伍，是大科學(xué)工程得以建設(shè)的重要前提。
“散裂中子源和南方光源裝置群就是一盞明燈，完全可以‘照亮’整個(gè)大灣區(qū)，共同支撐粵港澳大灣區(qū)科創(chuàng)中心發(fā)展。如果未來在東莞形成裝置聚集區(qū)，它也不是東莞自己的事情，而是整個(gè)灣區(qū)都受益，廣東應(yīng)該形成共識(shí)與合力，來共同推進(jìn)大科學(xué)工程的建設(shè)。”陳延偉表示。
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