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大科学装置“扎堆”粤港澳大湾区

2020-05-11 09:17 来源:南方网 陈启亮
本文来源:http://www.155485.com/jiankang_163_com/

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  南方网讯 广东东莞腹地,松山湖科学城中子源路尽头,数十台工程机械忙碌施工,在巍峨山脚下平整出一片开阔的空地,这里就是正在建设中的南方光源研究测试平台项目的建设现场。这一平台将为南方先进光源的前期预研和工程建设提供关键支撑。

  南方光源全称南方先进光源(SAPS),是继中国首台散裂中子源之后,计划在东莞布局建设的又一重要的国家大科学装置,未来将为粤港澳大湾区国际科技创新中心发展和产业升级提供重要支撑。

  为什么要建设南方光源?将选择怎样技术方案?与散裂中子源之间有何关系?建成后将发挥哪些重要作用?日前,南方日报记者专访南方光源项目筹建负责人,全方位解析大科学工程的“建设密码”。

  同步辐射光是什么?

  与散裂中子源互为“姐妹花”

  日前,香港大学机械工程系黄明欣教授团队开创性提出一种新的作用机制,获得了强度、韧性、延展性俱佳的低成本新型钢材,并且相关研究成果在国际顶级期刊《Science》发表。

  而中国散裂中子源,为这一成果提供了重要的研究手段支持。建成运行1年半以来,中国散裂中子源正以越来越多世界级创新成果,显示着“国之重器”的巨大能量。如今,在广东省、东莞市与中科院大力支持下,南方先进光源的身影也渐行渐近。

  拟建的南方先进光源,是一台衍射极限第四代同步辐射光源,与散裂中子源一样同为观测物质微观结构的大科学装置。二者相辅相成,可以为我国的科技创新和科学前沿研究提供最先进的研究手段。

  同步辐射的原理其实并不复杂,想象一下在雨中快速转动雨伞时,沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。而速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时,沿切线方向发出的电磁辐射,就是同步辐射。同步辐射光从本质上说是一种高亮度的X射线。

  由于同步辐射光具有的高强度、宽波谱、高准直等一系列优点,在物理学、化学化工、材料科学、生命科学等领域都具有广泛应用。

  中国同步辐射光源建设起步于上世纪,目前分别位于北京、上海、安徽合肥及台湾新竹,涵盖了从第一代到第三代同步辐射光源。在这样的背景下,2017年8月,广东省委、省政府提出了在中国散裂中子源周边建设先进同步辐射光源的构想,希望中科院高能所能够给予支持并承担建设任务。2018年11月,中科院与广东省政府在广东签署《共同推进粤港澳大湾区国际科技创新中心建设合作协议》,作为重点合作项目,中科院高能所与东莞市签署了《关于推进南方光源重大科技基础设施建设合作协议》,正式启动南方光源前期工作。

  聚集效应突出

  大科学装置常常做“邻居”

  从探测物质微观结构的功能角度看,同步辐射光源与散裂中子源的作用存在许多相似之处,都被当做理想的“探针”,然而在业内人士看来,这两者之间更多是互补,并且在某些领域无法相互替代。

  同步辐射光主要与原子外围的电子云发生相互作用,因此原子的外围电子越多,它就看得越清晰,探测较重的原子是它的强项,但若遇上外围电子稀少的轻元素,如氢、氦等,同步辐射的探测效能就大打折扣。而这恰恰是中子散射所擅长的。

  中科院高能所东莞分部副主任王生表示,由于中子不带电,穿透性强,可研究高温、高压、极低温、强磁场等极端条件下的物质特性,同时由于中子具有磁矩,在研究磁性材料方面具有特别优势。而同步辐射光源在实验效率上则具有优势,可以更快速得到实验结果,每年可接待的用户数量远高于散裂中子源。

  “很多用户进行的研究项目,需要同时用到两种研究手段。这也是为什么国外散裂中子源旁边往往会建设一台光源。”王生表示。

  英国卢瑟福国家实验室就聚集了多种大科学装置,在吸引尖端人才、促进学术交流合作等方面发挥巨大的综合效应。但实际上,两种装置经常成为“邻居”背后,还有另一层考量。

  “大科学装置并不是一个孤立的装置,还有一系列配套的基础设施和服务体系。装置建成之后,还有后续的运营和使用。”王生举例道,装置运行过程中,每年要投入大量的人力物力,散裂中子源就有300多人的专职队伍负责进行设备维护,保障运行和开放。

  “两个装置建在一起,还可以极大方便用户。好比去医院,既能在一个科室做CT,也能直接到隔壁做核磁共振,而不必要再到很远的地方重新检查。”中科院高能所副所长、东莞分部主任陈延伟说,“实际上,大科学装置放到东莞,作用已经逐步体现出来。以大装置为核心,松山湖正在建松山湖科学城,纵观国内外的科学中心,也都是以大科学装置作为牵头和引领,广东现在也具备了这样的条件。”

  以用户需求为导向

  建设世界先进的第四代同步辐射光源

  一般来说,亮度是评价光源性能的最重要指标,亮度越高,就能更快速清楚地掌握观测对象的信息。而第四代同步辐射光源的亮度可以比上一代提升两到三个数量级,相当于亮度提高成百上千倍,实验观测能力也必然大幅提升。

  “按照构想,未来南方光源将是位于中能区的世界上亮度最高第四代同步辐射光源之一,其中面临的技术挑战众多。”王生介绍道,只有通过开展预研,进行必要的技术和队伍积累,才能真正开工建设。而这正是目前南方光源测试平台和预研项目所要达成的目的。

  南方光源研究测试平台和预研项目,是未来南方先进光源建设中的重要环节。通俗地讲,预制研究实际上是解决工程建设中技术上的所有的“拦路虎”,对工程建设中涉及的所有关键技术和关键设备进行攻关,以达到最大程度降低工程风险,并加快工程建设进程。

  王生表示,目前的预研项目的实施,再次得到了广东省和中科院的大力支持,预研项目的研究成果,不但对于南方先进光源的工程建设具有重要意义,也将全面提升我国先进同步辐射光源的建设和应用水平。

  与中国散裂中子源工程的建设不同,国内对于同步辐射光源建设运行已经有累积了不少经验。围绕建设什么样的南方先进光源,散裂中子源科学中心组织了多次用户研讨会,希望加快确定南方先进光源的主要设计指标。目前基本形成了“建设一台国际先进水平的中能区衍射极限先进同步辐射光源”的共识。

  “建设方案的选择,一个是要参考国际上现有装置建设情况,以此确定相关性能指标,建成一个达到国际先进水平、甚至领先水平的装置。”王生表示,作为一个面向用户的装置,更重要的一点是根据用户的需求来确定装置的指标。“既要满足目前用户的需求,同时也要考虑光源建成以后,至少未来20—30年内不断增长的用户需求。”

  “南方先进光源将把服务粤港澳大湾区的产业发展作为重要的定位之一。南方光源在服务于基础和应用基础研究的同时,将更加注重和大湾区的先进产业的结合,在这方面潜力巨大,未来有望为大湾区的产业创新和升级做出重要的贡献。

  观点

  广东应形成大科学工程建设合力

  利用大科学装置群“照亮”大湾区科创路

  “大科学装置已经成为现代科学技术诸多领域要取得突破的必要条件,是促进经济社会经济可持续发展、维护国家安全必不可少的特殊基础设施,还有一个最重要的就是它能够成为众多高新技术的源泉和高新技术产业的摇篮。”陈延伟表示,基于这一背景,目前社会各界对于大科学装置的重要作用越来越认可,也因此很多地方提出要加大投入支持大科学装置建设。

  近期提出的新基建中,就特别提到了推动重大科技基础设施的建设。根据中科院重大科技基础设施共享服务平台官网提供的介绍,中科院是承担我国重大科技基础设施建设和运行的主要力量,目前共有运行设施20个,在建设施11个。这些设施按应用目的可分专用研究设施,公共实验设施,公益科技设施等三种。

  “散裂中子源和南方光源,都属于公共实验设施的一种。这类设施可以为多学科领域的基础研究、应用基础研究等提供强大支持,是非常好的平台,但是它不是一般的科学仪器。”陈延伟指出,大科学装置建设规模大、投资大,建设周期长、技术综合复杂,并且要在建设中研制大量的非标设备,是一项复杂的系统性工程。

  大科学工程建设,具有“科学”和“工程”两方面的属性。一方面要尊重科学规律,如何建、何时建、哪里建,必须由国家统一规划和部署,再经过一套严谨的遴选和论证过程来决定;另一方面,建设大科学工程,还要有一套科学工程的管理体系。

  陈延伟表示,严格的国家层面论证、严谨的科学工程管理体系,以及一支经验丰富、专业过硬、综合能力突出的高水平人才队伍,是大科学工程得以建设的重要前提。

  “散裂中子源和南方光源装置群就是一盏明灯,完全可以‘照亮’整个大湾区,共同支撑粤港澳大湾区科创中心发展。如果未来在东莞形成装置聚集区,它也不是东莞自己的事情,而是整个湾区都受益,广东应该形成共识与合力,来共同推进大科学工程的建设。”陈延伟表示。

 ??南方日报记者 陈启亮 策划统筹 张志超

编辑: 詹海珊

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