本文刊载于《中国科学院院刊》2024年第9期专刊：“开放科学 勇立潮头—科技创新引领大湾区高质量发展”
陈和生
中国科学院高能物理研究所
中国散裂中子源为基础科学前沿研究和国家发展需求诸多领域提供先进的中子散射研究与应用的大型交叉平台，其综合性能进入国际同类装置先进行列；显著提升了我国相关领域的科学技术水平和自主创新能力。中国散裂中子源的成功建设极大地推动了国家重大科技基础设施在粤港澳大湾区的发展，为粤港澳大湾区综合性国家科学中心提供了重要支撑。同步辐射光源与散裂中子源“珠联璧合”，是研究物质微观结构2种优势互补的“探针”；同步辐射光源也是世界上著名大湾区的“标配”。粤港澳大湾区的未来发展迫切需要建设南方先进光源。粤港澳大湾区重大科技基础设施的建设应当被纳入国家重大科技基础设施的统一规划和部署。文章建议南方先进光源由广东省人民政府联合相关城市政府，以及香港和澳门特别行政区政府共同建设，强强联合，从而探索出一条粤港澳大湾区科技创新合作的新模式。
中国散裂中子源（CSNS）是我国首台、世界第4台脉冲型散裂中子源，为基础科学前沿研究和国家发展诸多领域提供先进的中子散射研究与应用的大型交叉平台。中国散裂中子源的成功建设，填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，其技术和综合性能进入国际同类装置先进行列；显著提升了我国在相关领域的科学技术水平和自主创新能力，实现了强流高功率质子加速器和中子散射领域的重大跨越，为材料科学、物质科学、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术研发提供了强有力的支撑。中国散裂中子源的成功建设极大地推动了国家重大科技基础设施在粤港澳大湾区的发展，为粤港澳大湾区综合性国家科学中心的建设提供了重要支撑。
同步辐射光源与散裂中子源“珠联璧合”，是研究物质微观结构的2种优势互补“探针”；同步辐射光源也是世界上著名大湾区的“标配”。粤港澳大湾区未来发展迫切需要建设南方先进光源。粤港澳大湾区重大科技基础设施的建设应当面对粤港澳大湾区的需求，被纳入国家重大科技基础设施的统一规划和部署。建议南方先进光源由广东省人民政府联合相关城市政府，以及香港和澳门特别行政区政府共同建设，强强联合，探索出一条粤港澳大湾区科技创新合作的新模式。
一、重大科技基础设施是国家科技创新体系的重要单元
20世纪中叶以来，物质结构的研究深入到了原子核和粒子的层次。物理学的基本规律“测不准原理”要求研究的微观尺度越小，就需要使用能量越高的粒子。粒子加速器可以产生高能量的粒子；能量越高，加速器就必须做得越大。加速器既可以用于粒子物理核物理领域的研究，还能为诸多学科交叉前沿研究提供不可替代的先进平台，于是大科学装置应运而生。
重大科技基础设施，也被称为大科学装置，是指为提升探索未知世界、发现自然规律、实现科技变革的能力，由国家统筹布局，依托高水平创新主体建设，面向社会开放共享的大型复杂科学研究装置或系统；是为高水平研究活动提供长期运行服务、具有较大国际影响力的国家公共设施。按照不同的用途，重大科技基础设施一般分为3类。
（1）专用设施
为特定学科领域的重大科学技术目标而建设的研究装置，如北京正负电子对撞机、兰州重离子冷却环、超导托卡马克核聚变实验装置、高海拔宇宙线观测站、“中国天眼”等。这类设施有明确、具体的科学目标，追求国际基础科学和应用基础科学研究的最前沿。依托这类设施开展的研究内容、科学用户群体也比较特定、集中。
（2）公共实验交叉平台
主要为多学科领域的基础研究和应用研究提供支撑平台，如北京同步辐射装置、上海光源、合肥光源、中国散裂中子源、北京高能光源、强磁场实验装置等。这类装置为诸多领域的广大用户提供交叉研究的实验平台和测试手段，为相关基础科学研究和高科技创新提供关键支撑，追求满足用户需求，服务全面完整。
（3）公益基础设施
主要为经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据和信息服务，如中国遥感卫星地面站、子午线工程、长短波授时系统、西南野生生物种质资源库等，以满足国家和公众的需求。
重大科技基础设施是国家科技创新体系的重要单元，其工程建设具有鲜明的科学和工程双重属性，其设计、研制和工程建设具有综合性、复杂性、先进性，知识创新和科学成果产出丰硕。它的高新技术溢出和人才集聚效益非常显著。重大科技基础设施往往成为发达国家科技创新体系的核心要素，广泛采用国际合作的方式建设和运行，对国内外用户高度开放。它不同于一般的科研仪器中心或者平台，而是需要自行设计研制专用的设备，体量大、投资大、建设和运行队伍规模巨大。国内外的公共交叉平台型科技基础设施往往成为高新科技产业园的核心，重大科技基础设施体现了国家意志，反映了国家需求，是“国之重器”和“科技利器”，需要国家统筹规划、统一布局、统一建设、统筹运行与开放。重大科技基础设施代表着国家的形象，是国家科技实力、经济实力乃至软实力的重要标志。
二、中国散裂中子源面向国家重大需求和基础科学前沿
建设中国散裂中子源的建议，起源于20世纪90年代末期关于中国高能物理和先进加速器发展战略研究。面对美国和日本投巨资建设散裂中子源的发展趋势和国内对脉冲散裂中子源的迫切需求，中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”）和中国原子能研究院的科学家提出了建设散裂中子源对国家科技发展的必要性。可以找到的最早明确提出建设散裂中子源的书面报告，是1999年2月中国科学院委托高能所研究的粒子物理发展战略。1999年9月，高能所与中国原子能科学院向科学技术部提交建设中国散裂中子源的建议，并于2000年8月正式提出国家重大科学工程项目建议书——《多用途中子科学装置脉冲强中子源》。
2000年7月，国家科技教育领导小组原则同意中国科学院提交的《中国高能物理和先进加速器技术发展目标》中包括了规划中国散裂中子源。经过相关领域科学家的深入讨论和研究，散裂中子源被列入了国家“十一五”的大科学装置建设计划。在中国科学院的支持下高能所和中国科学院物理研究所（以下简称“物理所”）的科学家开始进行设计和预制研究。
2011年10月，中国散裂中子源装置在广东东莞奠基，总投资23亿元。高能所是工程建设的法人单位。这是优化我国大科学装置布局的重大战略决策，使得中国科学院基础研究和应用研究的雄厚实力与珠三角地区雄厚的经济实力结合起来，促进科技发展和产业升级。中国散裂中子源一期建设内容包括1台80 MeV直线加速器、1台1.6 GeV快循环同步加速器、1个靶站，以及3台供科学实验用的中子散射谱仪。其工作原理是将质子加速到16亿电子伏特，去轰击重金属靶。金属靶的原子核被撞击出质子和中子；科学家则通过特殊的装置“收集”中子，开展各种实验。中国散裂中子源的各项设备的批量生产在全国近百家合作单位完成，许多设备的研制达到国内外先进水平，设备国产化率达到90%以上，从而有力地促进了我国相关领域高技术的发展。
中国散裂中子源装置规模庞大，部件繁多，工艺极其复杂，高能所和物理所在制造和安装过程中克服了重重困难。例如，快循环同步加速器的25 Hz大功率交流磁铁在我国属首次研制，其研制过程中遇到了超乎想象的技术挑战，如铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热等都是技术难关。高能所科研人员与相关厂家联合攻关，经过6年奋斗，逐一攻破技术难关，终于靠自己的力量研制出合格的磁铁；针对磁铁磁场饱和，还创新性地提出了谐振电源的谐波补偿方法，解决了多台磁铁之间的磁场同步问题，其性能明显优于国外散裂中子源。高功率靶站是散裂中子源建设的难关，我国缺乏建设经验。经过深入研究和设计，高能所确定了水冷钨靶最佳方案，并同北京钢研集团安泰公司联合研发镀钽钨靶系统，其性能达到国际领先水平。此后，安泰公司以此中标欧洲散裂中子源的靶片合同。10多年来国际散裂中子源的运行实践表明，水冷钨靶方案综合性能明显领先。
2017年8月，中国散裂中子源首次打靶就成功获得完全符合预期的中子束流，向党的十九大献礼。2018年3月，中国散裂中子源按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务，通过了中国科学院组织的工艺验收，填补了国内脉冲中子应用领域的空白，其技术和综合性能进入国际同类装置先进行列。
2018年8月，中国散裂中子源通过了国家验收委员会验收。国家验收委员会认为，中国散裂中子源的性能全部达到或优于批复的验收指标。装置整体设计科学合理，研制设备质量精良，靶站最高中子效率和谱仪综合性能达到国际先进水平。专家还认为，中国散裂中子源通过自主创新和集成创新，在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果，显著提升了我国在高功率散裂靶、磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业的技术水平和自主创新能力，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。
通过工程建设，高能所在东莞形成了一支高水平、专业齐全的科学研究、工程技术和工程管理队伍，成立了东莞分部。东莞分部协同北京本部的雄厚力量，成为粤港澳大湾区国家重大科技基础设施建设、运行和研究的骨干力量。
中国散裂中子源通过国家验收后正式进入对用户开放运行阶段，装置运行稳定可靠高效。2020年2月28日，中国散裂中子源打靶束流功率达到100 kW的设计指标，稳定供束运行，达到设计指标时间比原计划提前1年半。2022年10月，打靶束流功率达到140 kW，2024年3月达到160 kW，并实现稳定运行，其运行效率居国际散裂中子源之首。
中国散裂中子源装置目前已完成11轮开放共享，完成了超过1650个科研课题，取得了一大批重要科学成果。相关课题涵盖了材料科学技术、新能源、物理、化学化工、生命科学技术等多个前沿交叉和高科技研发领域，如锂离子电池、太阳能电池结构、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜、高强合金、芯片单粒子效应等。典型的成果包括：对国产高铁车轮进行内部深度残余应力测量，对高铁车轮的安全性和提速具有重大意义；利用中子的穿透能力和对复杂组分的定量识别能力，研究创世界纪录的超强且韧性优良的超级钢，准确测量了超级配分钢中位错密度演化，发现了新的位错机理；对锂电池的性能进行中子原位测量，研究汽车锂电池的结构特征和锂离子在充放电循环过程的输运行为，对锂电池性能提高具有重要意义。
2022年12月，中国散裂中子源二期工程可行性研究报告获得国家发展和改革委员会批复；2024年1月，获准正式动工。二期工程建成后，中国散裂中子源的谱仪数量将增加到20台左右，覆盖广大用户各方面研究领域。同时，加速器打靶束流功率将提高到500 kW。新的谱仪和实验终端建成后，中国散裂中子源的设备研究能力将大幅提升，实验精度和速度将极大提高，能够测量更小的样品、研究更快的动态过程，为前沿科学研究、国家重大需求和国民经济发展提供更先进的研究平台。
中国散裂中子源积极推动相关技术成果转化。硼中子俘获治疗（BNCT）是中国散裂中子源技术产业化的第一个大型项目。BNCT采用放射与药物结合的二元、靶向、细胞级精准放疗方法，具有非常好的发展前景。具有完全自主的知识产权的BNCT临床设备已经在东莞市人民医院安装就绪，即将开始临床试验。BNCT将成为继质子放疗，重离子放疗后的第3种粒子放疗技术，并可能发展成为普惠医疗设备，进入地市级医院，服务人民健康。
三、建设南方先进同步辐射光源
同步辐射光源与散裂中子源都是研究物质微观结构的理想“探针”，两者优势互补，广泛应用于材料科学、物理学、生命科学、化学化工、新能源、资源环境等多个重要研究领域。同步辐射产生非常强的X射线，与原子外的电子相互作用，对较重的原子敏感。但对轻元素，特别是氢、氦、氧、氮等能源和生命科学领域的关键元素，探测效率就大幅下降。然而，这恰恰是散裂中子源的中子散射所擅长的。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，能区分轻的元素和同位素。中子具有磁矩，在研究磁性材料、超导机制、量子材料等方面具有特别优势。中子在研究大型工程部件的残余应力和服役性能具有独特的优势。散裂中子源造价高、技术复杂，而且与同步辐射装置相比中子强度低、探测困难、实验难度高，因此世界上只有4台散裂中子源。但是，许多前沿科学的关键问题和国家重大战略需求问题只有用散裂中子源才能解。同步辐射光源在实验效率上则具有很大的优势，可以快速得到实验结果，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，需要同时用到这2种研究手段。因此，国外中子源旁边往往会建设一台同步辐射光源。例如，英国卢瑟福国家实验室，瑞士保罗谢勒研究所（PSI）、瑞典隆德（Lund）、法国格勒诺布尔（Grenoble）等研究中心都同时拥有这2种大科学装置，“珠联璧合”，形成强大的研究能力，吸引大批科学家来开展实验，促进学科的交叉融合，获得丰硕科学和应用成果，成为世界重要的科技研究中心。
中国同步辐射光源建设起步于20世纪80年代，目前在北京、上海、安徽合肥及台湾新竹共有4台光源，涵盖了从第一代到第三代同步光源。位于北京怀柔的第四代高能同步光源（HEPS，6 GeV）预计2025年底通过验收，与此同时，合肥也正在建设低能区第四代同步辐射光源（2.2 GeV）。粤港澳大湾区科技实力雄厚，用户群体庞大，急需建设先进同步辐射光源，以满足迅速增长的用户需求，特别是大批生命科学样品不适宜长途运输到其他同步辐射光源。因此，立即规划和建设南方先进光源已经提上日程。实际上，同步辐射光源是世界上著名大湾区的“标配”，如旧金山湾区的伯克利光源、纽约湾区的布鲁克海文国家实验室光源、东京湾区筑波的KEK（高能加速器研究组织）光源等。
广东省委、省政府于2017年8月提出了依托中国散裂中子源建设先进同步辐射光源的构想，希望高能所能够给予支持并承担建设任务。中国科学院与广东省人民政府于2018年11月在广州签署《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，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。东莞市政府支持建设的南方光源研究平台已经投入运行。南方光源定位于中能（3.5 GeV）第四代同步辐射光源，与国内已有和在建的第四代同步辐射光源相互补充。该建议得到了粤港澳大湾区科技界和产业界的热烈响应，需求极为强烈。迄今，已经召开了10多次用户会议，广泛听取了用户对南方光源建设方案和实验线站的意见，优化了设计方案。
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有很多的经验积累。高能所建设的北京HEPS已经按计划顺利完成工程建设，开始调束，预计2025年底通过验收。它将成为世界上最亮的同步辐射光源。HEPS建设积累的技术、队伍和装备，大部分能够在南方光源的建设中发挥支撑作用，从而降低工程建设的难度和造价。
已建成的中国散裂中子源和规划建设中的南方先进光源，将形成多种研究手段互补的大科学装置集群，这对于粤港澳大湾区综合性国家科学中心的建设具有十分重要的意义。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。南方先进光源在服务基础和应用基础研究的同时，将特别面向粤港澳大湾区先进产业的科技创新和产业升级，潜力巨大。
四、对国家重大科技基础设施在粤港澳大湾区发展规划的若干思考
经过几十年的发展，我国拟建、在建和运行的国家重大科技基础设施总量已经达到77个，其中32个已建成运行。此外，还有一批由有关部委支持建设的重大科技基础设施。虽然总的数量和种类已经接近发达国家水平，但多数装置的综合性能、实验终端的数量和性能与发达国家差距较大。特别是科学产出差距更为突出，重大科技创新成果较少，对产业的支撑能力不足，不能满足创新驱动国家发展战略，支撑高水平科技自立自强的迫切需求。
过去几个“五年计划”的重大科技基础设施规划曾经过于集中在新建设施，对已有设施的升级改造和研究投入严重不足。从“十四五”开始，这种现象已经明显扭转。从发达国家的经验来看，将重大科技基础设施的经费过分集中于新建设施，显然是不能持续的。应当继续加大国家和地方政府的投入力度，在部署一批新的重大科技基础设施的同时，更要重视现有设施的升级改造。应当重点支持为国家发展战略必争的关键领域，支撑高水平自立自强的设施，努力做到高起点高水平、适度超前发展，全方位服务国家发展战略。重大科技基础设施部署应当要求明确的科学技术目标和用户群体，力求综合性能先进、符合国情。
重大科技基础设施的规划要考虑装置的全生命周期，重视装置的立项和建设，同时必须认真考虑它们的运行开放维护费用（年运行费用一般为建造费用的10%左右）、后续实验设施的建设及升级改造的经费来源，并必须保证稳定支持科学研究经费。目前，一些新建设施的方案往往盲目追求单项指标“世界第一”的宣传噱头，而不充分考虑设施的综合性能和支撑用户实验的能力。
近年来，由于重大科技基础设施产生的社会影响和辐射效应，不少地方纷纷提出建设重大科技基础设施的宏大计划。地方政府关心科技创新的热情可嘉，但部分地方已经出现过热苗头，可能带来严重问题，必须引起高度重视。如果不考虑科技发展的实际需求和设施建设的可行性，实际成为体现地方政府的“科技创新政绩工程”，低水平重复，很可能造成严重的浪费，甚至出现“烂尾工程”。这将挫伤各方对建设重大科技基础设施的积极性，影响其持续发展。此外，地方政府具备建设重大科技基础设施的经济实力和愿望很重要，但这远不是充分条件——必须充分考虑装置建设的可行性，特别是具有一支高水平的科学技术、工程建设和管理队伍。这不是引进一两个“帅才”就能解决的，也不能依赖高薪“挖”正在建设和运行的国家重大科技基础设施队伍的“墙角”来拼凑起一支胜任工程建设队伍。
因此，必须继续坚持国家统一规划和部署重大科技基础设施建设的原则，坚持以国家科技发展的战略需求和用户需求为导向。为了充分调动地方政府参加大科学装置建设的积极性，建议将新建重大科技基础设施的地方共建部门从现有的装置所在省市适当扩展到由邻近城市共同承担。这样可以集中力量办大事，满足更多省市参与建设重大科技基础设施的愿望，并减小地方政府承担匹配建设经费的压力，优化资源配置，以建设国际先进的高水平设施，加快实验终端的建设步伐。基于此，建议南方先进光源由广东省人民政府联合相关东莞市和深圳市政府，以及香港和澳门特别行政区政府共同建设，强强联合，从而探索出一条粤港澳大湾区科技创新合作的新模式。该建议已得到有关各方的积极响应。
中国散裂中子源在广东省东莞市的成功建设吸引了多项国家重大科技基础设施落户粤港澳大湾区，包括正在惠州建设的强流重离子加速器装置（HIAF）和加速器驱动次临界系统（CiADS）。粤港澳大湾区以其雄厚的经济实力、高度改革开放和对科技创新的大力支持吸引了“十四五”国家规划的重大科技基础设施项目的30%，成为名副其实的重大科技基础设施的新高地。重大科技基础设施的规划和建设是粤港澳大湾区综合性国家科学中心建设的重要组成部分。粤港澳大湾区的基础科学研究、科技创新和高技术产业对重大科技基础设施有巨大的需求，特别是迫切需要建设南方先进光源。但是，粤港澳大湾区重大科技基础设施的规划必须被纳入国家重大科技基础设施的统一规划和部署——这是粤港澳大湾区重大科技基础设施持续发展的基本条件之一。同时，粤港澳大湾区内部要加强统一规划，相邻城市和特别行政区共同承担国家重大科技基础设施工程的建设，集中力量办大事，使南方先进光源成为粤港澳大湾区综合性国家科学中心的旗舰项目，探索出一条大湾区科技创新合作的新模式。
陈和生 中国科学院院士。北京正负电子对撞机国家实验室主任。曾任中国科学院高能物理研究所所长、中国高能物理学会理事长等职。长期从事粒子物理实验研究。
文章源自：
陈和生. 中国散裂中子源与南方先进光源. 中国科学院院刊, 2024, 39(9): 1583-1590.
DOI: 10.16418/j.issn.1000-3045.20240906001返回搜狐，查看更多
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