大科學裝置“扎堆”粵港澳大灣區(qū)
南方網訊 廣東東莞腹地，松山湖科學城中子源路盡頭，數十臺工程機械忙碌施工，在巍峨山腳下平整出一片開闊的空地，這里就是正在建設中的南方光源研究測試平臺項目的建設現場。這一平臺將為南方先進光源的前期預研和工程建設提供關鍵支撐。
南方光源全稱南方先進光源（SAPS），是繼中國首臺散裂中子源之后，計劃在東莞布局建設的又一重要的國家大科學裝置，未來將為粵港澳大灣區(qū)國際科技創(chuàng)新中心發(fā)展和產業(yè)升級提供重要支撐。
為什么要建設南方光源？將選擇怎樣技術方案？與散裂中子源之間有何關系？建成后將發(fā)揮哪些重要作用？日前，南方日報記者專訪南方光源項目籌建負責人，全方位解析大科學工程的“建設密碼”。
同步輻射光是什么？
與散裂中子源互為“姐妹花”
日前，香港大學機械工程系黃明欣教授團隊開創(chuàng)性提出一種新的作用機制，獲得了強度、韌性、延展性俱佳的低成本新型鋼材，并且相關研究成果在國際頂級期刊《Science》發(fā)表。
而中國散裂中子源，為這一成果提供了重要的研究手段支持。建成運行1年半以來，中國散裂中子源正以越來越多世界級創(chuàng)新成果，顯示著“國之重器”的巨大能量。如今，在廣東省、東莞市與中科院大力支持下，南方先進光源的身影也漸行漸近。
擬建的南方先進光源，是一臺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物質微觀結構的大科學裝置。二者相輔相成，可以為我國的科技創(chuàng)新和科學前沿研究提供最先進的研究手段。
同步輻射的原理其實并不復雜，想象一下在雨中快速轉動雨傘時，沿傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。而速度接近光速的帶電粒子在作曲線運動時，沿切線方向發(fā)出的電磁輻射，就是同步輻射。同步輻射光從本質上說是一種高亮度的X射線。
由于同步輻射光具有的高強度、寬波譜、高準直等一系列優(yōu)點，在物理學、化學化工、材料科學、生命科學等領域都具有廣泛應用。
中國同步輻射光源建設起步于上世紀，目前分別位于北京、上海、安徽合肥及臺灣新竹，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散裂中子源周邊建設先進同步輻射光源的構想，希望中科院高能所能夠給予支持并承擔建設任務。2018年11月，中科院與廣東省政府在廣東簽署《共同推進粵港澳大灣區(qū)國際科技創(chuàng)新中心建設合作協(xié)議》，作為重點合作項目，中科院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(xié)議》，正式啟動南方光源前期工作。
聚集效應突出
大科學裝置常常做“鄰居”
從探測物質微觀結構的功能角度看，同步輻射光源與散裂中子源的作用存在許多相似之處，都被當做理想的“探針”，然而在業(yè)內人士看來，這兩者之間更多是互補，并且在某些領域無法相互替代。
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，探測較重的原子是它的強項，但若遇上外圍電子稀少的輕元素，如氫、氦等，同步輻射的探測效能就大打折扣。而這恰恰是中子散射所擅長的。
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，可研究高溫、高壓、極低溫、強磁場等極端條件下的物質特性，同時由于中子具有磁矩，在研究磁性材料方面具有特別優(yōu)勢。而同步輻射光源在實驗效率上則具有優(yōu)勢，可以更快速得到實驗結果，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，需要同時用到兩種研究手段。這也是為什么國外散裂中子源旁邊往往會建設一臺光源。”王生表示。
英國盧瑟福國家實驗室就聚集了多種大科學裝置，在吸引尖端人才、促進學術交流合作等方面發(fā)揮巨大的綜合效應。但實際上，兩種裝置經常成為“鄰居”背后，還有另一層考量。
“大科學裝置并不是一個孤立的裝置，還有一系列配套的基礎設施和服務體系。裝置建成之后，還有后續(xù)的運營和使用。”王生舉例道，裝置運行過程中，每年要投入大量的人力物力，散裂中子源就有300多人的專職隊伍負責進行設備維護，保障運行和開放。
“兩個裝置建在一起，還可以極大方便用戶。好比去醫(yī)院，既能在一個科室做CT，也能直接到隔壁做核磁共振，而不必要再到很遠的地方重新檢查。”中科院高能所副所長、東莞分部主任陳延偉說，“實際上，大科學裝置放到東莞，作用已經逐步體現出來。以大裝置為核心，松山湖正在建松山湖科學城，縱觀國內外的科學中心，也都是以大科學裝置作為牽頭和引領，廣東現在也具備了這樣的條件。”
以用戶需求為導向
建設世界先進的第四代同步輻射光源
一般來說，亮度是評價光源性能的最重要指標，亮度越高，就能更快速清楚地掌握觀測對象的信息。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數量級，相當于亮度提高成百上千倍，實驗觀測能力也必然大幅提升。
“按照構想，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，其中面臨的技術挑戰(zhàn)眾多。”王生介紹道，只有通過開展預研，進行必要的技術和隊伍積累，才能真正開工建設。而這正是目前南方光源測試平臺和預研項目所要達成的目的。
南方光源研究測試平臺和預研項目，是未來南方先進光源建設中的重要環(huán)節(jié)。通俗地講，預制研究實際上是解決工程建設中技術上的所有的“攔路虎”，對工程建設中涉及的所有關鍵技術和關鍵設備進行攻關，以達到最大程度降低工程風險，并加快工程建設進程。
王生表示，目前的預研項目的實施，再次得到了廣東省和中科院的大力支持，預研項目的研究成果，不但對于南方先進光源的工程建設具有重要意義，也將全面提升我國先進同步輻射光源的建設和應用水平。
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已經有累積了不少經驗。圍繞建設什么樣的南方先進光源，散裂中子源科學中心組織了多次用戶研討會，希望加快確定南方先進光源的主要設計指標。目前基本形成了“建設一臺國際先進水平的中能區(qū)衍射極限先進同步輻射光源”的共識。
“建設方案的選擇，一個是要參考國際上現有裝置建設情況，以此確定相關性能指標，建成一個達到國際先進水平、甚至領先水平的裝置。”王生表示，作為一個面向用戶的裝置，更重要的一點是根據用戶的需求來確定裝置的指標。“既要滿足目前用戶的需求，同時也要考慮光源建成以后，至少未來20—30年內不斷增長的用戶需求。”
“南方先進光源將把服務粵港澳大灣區(qū)的產業(yè)發(fā)展作為重要的定位之一。南方光源在服務于基礎和應用基礎研究的同時，將更加注重和大灣區(qū)的先進產業(yè)的結合，在這方面潛力巨大，未來有望為大灣區(qū)的產業(yè)創(chuàng)新和升級做出重要的貢獻。
觀點
廣東應形成大科學工程建設合力
利用大科學裝置群“照亮”大灣區(qū)科創(chuàng)路
“大科學裝置已經成為現代科學技術諸多領域要取得突破的必要條件，是促進經濟社會經濟可持續(xù)發(fā)展、維護國家安全必不可少的特殊基礎設施，還有一個最重要的就是它能夠成為眾多高新技術的源泉和高新技術產業(yè)的搖籃。”陳延偉表示，基于這一背景，目前社會各界對于大科學裝置的重要作用越來越認可，也因此很多地方提出要加大投入支持大科學裝置建設。
近期提出的新基建中，就特別提到了推動重大科技基礎設施的建設。根據中科院重大科技基礎設施共享服務平臺官網提供的介紹，中科院是承擔我國重大科技基礎設施建設和運行的主要力量，目前共有運行設施20個，在建設施11個。這些設施按應用目的可分專用研究設施，公共實驗設施，公益科技設施等三種。
“散裂中子源和南方光源，都屬于公共實驗設施的一種。這類設施可以為多學科領域的基礎研究、應用基礎研究等提供強大支持，是非常好的平臺，但是它不是一般的科學儀器。”陳延偉指出，大科學裝置建設規(guī)模大、投資大，建設周期長、技術綜合復雜，并且要在建設中研制大量的非標設備，是一項復雜的系統(tǒng)性工程。
大科學工程建設，具有“科學”和“工程”兩方面的屬性。一方面要尊重科學規(guī)律，如何建、何時建、哪里建，必須由國家統(tǒng)一規(guī)劃和部署，再經過一套嚴謹的遴選和論證過程來決定；另一方面，建設大科學工程，還要有一套科學工程的管理體系。
陳延偉表示，嚴格的國家層面論證、嚴謹的科學工程管理體系，以及一支經驗豐富、專業(yè)過硬、綜合能力突出的高水平人才隊伍，是大科學工程得以建設的重要前提。
“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，而是整個灣區(qū)都受益，廣東應該形成共識與合力，來共同推進大科學工程的建設。”陳延偉表示。
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