东莞“四喜临门”

研究信使疫苗结构和作用机理，观察飞机涡轮盘应力变化，为文物做无损中子“CT”……以上研究需求如何实现？随着中国散裂中子源持续“上新”，以上或都能在东莞完成。

在过去的20天内，中国散裂中子源4台谱仪陆续出束，东莞可谓“四喜临门”。当前，4台谱仪正加紧带束调试，争取早日投入运行。

“谱仪”究竟是什么，它们各有什么“技能”，将作用于哪些研究领域……带着这些问题，南都记者走进4台谱仪，一起看个究竟。

中国散裂中子源。（资料图）

值得关注的是，最新出炉的2023年广东省政府工作报告提及，在今后五年广东要“科技自立自强能力显著提升”“制造业这份厚实的家当做大做强”，那么它们的建成能否为其赋能？它们又如何提高大湾区综合性国家科学中心的创新显示度？

谱仪是什么？

谱仪是“显微镜”的眼睛

2022年12月29日，中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪成功出束。

1月4日，中国散裂中子源微小角中子散射谱仪成功出束。

1月5日，中国散裂中子源能量分辨中子成像谱仪成功出束。

1月12日，中国散裂中子源高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪（简称“高能非弹谱仪”）成功出束。

如今，走进中国散裂中子源的谱仪大厅，橙色、绿色、紫色……多台谱仪以靶站为中心，向四周延伸，如一朵盛开的七色花。相较于2018年验收之时的三台谱仪，现在的大厅显得“满满当当”。

建设中的微小角中子散射谱仪。（受访者供图）

目前，中国散裂中子源已经建成包括通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪、多物理谱仪和大气中子辐照谱仪在内的5台谱仪。随着上述4台谱仪陆续出束，新成员有望在今年正式加入。

这里的谱仪究竟是什么？资料显示，中子是研究物质微观结构的“理想探针”之一，散裂中子源利用中子来探知微观世界。如果把散裂中子源比作“超级显微镜”，那么中子谱仪就是一个个“显微镜”的“眼睛”，具体而言，就是利用中子作为媒介，开展各种实验或应用的一套复杂实验装置。

“出束”是谱仪建设的关键节点。微小角中子散射谱仪负责人程贺介绍，谱仪的设计，从最初的物理设计，到工程建设，或者用计算机上模拟的谱仪各种性能，更多是纸面上的。至于它的中子光路设计有没有成功，需要出束来进行检验。

工程材料中子衍射谱仪负责人胡春明介绍，实验人员会对束流的特性一一检测，如能达到设计指标，基本说明谱仪建成，“出束是非常关键的点”。

谱仪有什么功能？

与飞机、高铁、疫苗……息息相关

在中国散裂中子源的建设规划里，每一台谱仪功能各不相同。如本次出束的工程材料中子衍射谱仪，它具备应变、应力、织构和布拉格边透射成像等功能，尤其适合大型、复杂工程结构件的应力测量分析。

工程材料中子衍射谱仪。（受访者供图）

“如飞机的涡轮盘。”胡春明介绍，涡轮盘是由高温合金压铸而成，直径一般在一米以上。一方面，在其铸造的过程中，会有残余应力，另一方面它的安装位置位于飞机的发动机内，高速旋转时，还会有高速气流冲击影响，众多因素的影响下，内部的应力会出现变化，而应力对涡轮盘的寿命影响非常大。我们可以检测其在模拟工作状态下、高温状态下等出现的应力变化。我们将相关数据提供给厂家，以加速工艺改进。”

胡春明介绍，高铁的车轮毂虽然结构不复杂，但是结构尺寸比较大，也是一个挑战，“现在可以完整地放进我们谱仪进行检测。目前就有三个车轮摆在大厅等待测试。”

微小角中子散射谱仪是国际首台基于散裂源的飞行时间微小角散射谱仪，可同时测量0.3-1000纳米的多尺度范围，获取样品的中子衬度分布、绝对质量、基本形状以及散射体之间相互作用等信息。

程贺介绍，微小角中子散射谱仪将应用于关系国计民生的重大前沿科学问题攻关，例如生命科学领域信使疫苗结构和作用机理、化学领域高分子基特种纤维加工成型关键技术等。

“mRNA（即“信使核糖核酸”）疫苗技术在应对一些疾病方面有广泛应用。”程贺介绍，为开发更高效的mRNA疫苗，需要解析不同条件下， mRNA疫苗的各个组分的组装体结构，明确各个组分的在LNP（即“脂质纳米颗粒”）的分布、相互作用情况，确定mRNA周围的分子环境。“之前用电镜来观察，但是mRNA的衬度和周围的脂质体衬度是完全一样的，难以区分。现在我们用氘代的方式改变它的衬度，从而看到它的内部结构。在知道结构后，我们才可以有针对性地改进它的一些性能。”

高能非弹谱仪则可以为高温超导物理机制、量子磁性作用机制、热电材料输运性质、电池中离子扩散机制，以及生物材料活性等前沿基础研究工作提供晶格热振动、自旋波、晶体场等关键微观结构动力学信息，从而为相关材料的性能提高与新材料开发提供重要的基础支撑。

有哪些突破？

首创多项关键技术

大科学装置的建设往往伴随着新技术的产生。本次4台谱仪的建设过程中，工程人员就在多个领域实现了突破。

能量分辨中子成像谱仪项目组、中子科学部各相关专业组和高能所东莞研究部相关部门通力协作，克服疫情影响，攻克了中子导管在线直接准直方法、多种成像模式耦合、高空间分辨和高时间分辨中子探测等创新关键技术。

能量分辨中子成像谱仪。

“创新提出的在线直接准直方法，有别于国际上传统的中子导管安装方式，通过特殊的结构设计，科研人员可以直接观测到导管位置，避免间接观测带来的系统误差，实现了测量数据’所见即所得’。目前，这项技术已经应用到其它的谱仪，未来将加快中子导管的国产化进程。”能量分辨中子成像谱仪负责人陈洁表示。

微小角中子散射谱仪项目组、中子科学部相关专业组、高能所东莞研究部相关部门团结奉献，协力创新。

程贺介绍，中子本身不带电，因此很难聚焦。如要实现微小角观察的话，就需要将中子聚焦。长期以来，科研人员不断尝试不同技术让中子聚焦。20世纪80年代，美国国家标准与技术研究院的Glinka教授提出多夹缝技术，即通过一系列的多夹缝，让中子形成锥形的束流，在探测器上聚焦成一条线，实现中子束在一维方向的聚焦。从那时起，法国布里渊实验室（LLB）和德国柏林反应堆（HZB）研究中心都针对这项技术进行了长期、深入的研究，甚至HZB建设了相应的中子谱仪V16，但是，最终他们都没有成功实现中子的多狭缝聚焦。

“这一次我们主要有激光辅助多狭缝位置调节、陶瓷基体高位置分辨GEM探测器等首创关键技术。”程贺介绍，激光辅助多狭缝位置调节，是使用激光辅助光路的准直，从而使光路在12米以内各个机械部件的偏差在 5微米以内。

程贺坦言，谱仪的技术攻关难度非常高，来自国际专家的帮助让他印象深刻。2014年，微小角谱仪设计之初，就已经组建专家团队，2018年组建国际专家团队，每年邀请专家们为当年工作进行评议。由于专家位于不同时区，“跨”时区线上开会是常事。“他们非常支持我们工作，参与讨论，分享走过的弯路。我们有问题请教，也有非常及时的回复。大科学装置的建设，国际合作是非常重要的。”

建设中的高能非弹谱仪。（受访者供图）

谁在用？

建立用户群 提前对接科研需求

大科学装置，建好只是开始，用好才是关键。

中国散裂中子源2018年对外开放运行，不少高校院所、龙头企业慕名而来。目前，中国散裂中子源已累计完成8轮开放运行，一年开放机时超过5000小时，拥有约4300个注册用户，完成课题800余项，在航空航天、量子、能源、合金、高分子、信息材料等领域催生了一批源头创新硕果。

出席今年广东省两会时，省人大代表、散裂中子源科学中心主任陈延伟表示，通过这几年的运行，中国散裂中子源已经在基础科学研究和国家重大需求领域取得了一大批重要成果，发挥了非常大的作用。其中，这几年的科学产出中有四分之一是粤港澳大湾区的用户。

中国散裂中子源内部。（资料图）

如今4台谱仪一边调试，一边与用户保持沟通，保持装置的领先性的同时，能更好地服务科研项目。

程贺介绍，从2014年开始，每年微小角中子散射谱仪都会有两个会议，其中一个会议为国内用户会议，主要目的有三个，第一个是培训用户，告诉用户如何分析、处理数据，第二个是用户之间交流使用中子实验取得的成果，第三是提交他们对谱仪设计、样品环境的需求，并与谱仪建设人员进行相应交流。“我们属于通用谱仪，去年用户会因为疫情原因控制人数。但最终重重筛选后还是有90余人到场。用户群还是很大。”

“我们的用户微信群里面有接近800人。”胡春明介绍，像飞机的涡轮盘、高铁车轮毂，团队都与相关研发机构提前交流沟通，“现在高铁车轮做实验的台架设计、制造已经完成，一旦谱仪调试结束，第一个用户实验可能就是高铁车轮毂。”

观察

东莞创新显示度增强

散裂中子源持续“上新”，意味着正在“长大”。

最近除了4台谱仪陆续出束的好消息之外，还有一个好消息——中国散裂中子源二期工程可行性研究报告获得国家发展改革委批复，这标志着项目前期立项工作取得关键性进展。

二期工程项目主要建设11台中子谱仪和实验终端，提升加速器和靶站的束流功率。项目建成后，中国散裂中子源的综合性能将达到国际先进水平，满足国家战略需求和世界科学前沿研究对高性能中子散射的要求，进一步提升对粤港澳大湾区综合性国家科学中心的支撑能力。

“长大”的不仅有装置，还有这里的团队，以及他们所掌握的大科学装置建设技术。如今，这里已汇聚了一支500多人的科研和工程队伍，其平均年龄不到37岁，不少青年科研人员已担任系统负责人，并学习深造，他们于东莞乃至大湾区而言相当珍贵。

东莞已经妥妥地感受到了大科学装置的魅力，在散裂中子源到来后，过去十年来松山湖材料实验室、南方光源研究测试平台、先进阿秒激光设施、香港城市大学（东莞校区）、大湾区大学等重大科研平台、重大基础设施和高等院校相继落户松山湖科学城。

松山湖科学城。（资料图）

随着它们的到来和“长大”，东莞的创新显示度正在提高，从科创的“地方军”晋级为“国家队”，为全省的“科技自立自强能力显著提升”贡献东莞力量。

近期，中国散裂中子源用户中国科学技术大学化学与材料科学学院材料科学与工程系、合肥微尺度物质科学国家研究中心朱彦武教授团队在《Nature》杂志上发表研究论文。关键技术成果转化方面，中国散裂中子源成功研制了我国首台具有自主知识产权的加速器硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置。松山湖材料实验室“材料科学 ”首次进入ESI前1%，这标志着松山湖材料实验室材料科学科研水平进入国际高水平学科行列。

在东莞，创新圈正与产业圈交织，制造业这份家当持续增强，正形成“科技创新+先进制造”的鲜明城市特征，成为东莞参与大湾区建设的新支撑，与湾区其他城市错位竞争，帮助东莞在双万新赛道走得更稳更快，助力“世界工厂”到“科创制造强市”的蜕变。

采写 南都记者 梁锦弟

受访者供图