重大科學基礎設施助力大灣區產業發展 港大科研團隊體驗「中國速度」

2022-10-17 16:49:15 最後更新日期:2022-10-18 08:17:46
五郎

評論員,關注戰略問題、軍事歷史、軍事裝備。

a1ea7001ca354e76aa6631a2d9ca18b2中國散裂中子源位於東莞市松山湖科技園。2005年,經國務院批准建造一個質子束功率達100kW、有效脈衝中子通量居世界前列的散裂中子源裝置,國家支持建設經費約12億元,建設期為7年。裝置建設包括一台強流質子直線加速器、一台快循環同步加速器、一個靶站、五台中子譜儀等設施和科學實驗測試系統等。

以往,「中國製造」給予人們的印象都不佳,例如產品質量存在問題:不耐用、易損耗等。但近年,隨著製造技術的進步,「中國製造」已逐漸擺脫質量不佳的標簽。一個比較突出的例子是中國製造的汽車/電動車,其製造質量已直追日、德等傳統汽車製造強國,並獲得國外消費者認可。2021年,中國汽車整車出口量已超越德國,成為世界第二大汽車出口國,今年還有可能實現整車出口量超越日本。其實這些變化,都離不開中國對重大科學基礎設施的投資,以及這些設施為提升生產技術帶來的突破。其中之一,就是有「超級顯微鏡」之稱的「中國散裂中子源」(China Spallation Neutron Source,CNSN)重大科學基礎設施。

可能你也無法想像,這樣重要重大科學基礎設施,就位於距離香港只有個多小時車程的東莞市。

「中國散裂中子源」是國家「十一五規劃」(2006 至 2010 年)期間重點建設的十二大科學裝置之首,2011 年奠基興建,2017 年建成並於翌年通過驗收。它是首個粵港澳大灣區重大科學基礎設施,為開展前沿科學研究提供了先進平台,它的建成運行使中國成為世界上第四個擁有脈衝式散裂中子源的國家。

「超級顯微鏡」工作原理

被稱為「超級顯微鏡」的「中國散裂中子源」,其工作原理是以中子作為「探針」,穿透到物質內部,從而瞭解到被探測物體的結構。由於中子是一種比原子還要小的物質,穿透性很強,可以穿過被檢測和研究的物體而不傷害它探測物體,是人類用來探測微觀世界、物質份子結構的重要方法。

據中國科學院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉介紹,「中國散裂中子源」裝置就是一個埋在地下17米的加速器,裝置的佔地面積有400畝。首先,它透過一條 200 米長的直線加速器,由負氫離子源把負氫離子引出來加速到 8,000 萬電子伏的負氫離子,然後,負氫離子進入環形加速器再加速。負氫離子在進入環形加速器之前會剝離成質子粒,質子粒在環形加速器繼續加速,加速到 16 億電子伏的強流質子射向標靶(要探測的物體),把質子、中子都打出來,裝置標靶周圍的探測器探測到中子穿過的信息或者是回彈的信息,人們就能瞭解到被探測物體的結構。

散裂中子源散裂中子源的運作原理。(視頻擷圖)

「中國散裂中子源」在 2018 年 8 月 23 日正式投入運行,接受來自國內外的科研團隊申請使用,目前已有註冊用戶 4000 人,來自粵港澳大灣區的科研人用就佔總註冊用戶的 1/5。截至目前,「超級顯微鏡」已完成課題800余項,許多創新研究在粵港澳大灣區實現了落地。

陳延偉介紹稱,粵港澳大灣區的用戶是現在全國的用戶裡一個非常大的群體,大概有600多個用戶,這些用戶裡面一部分是來自香港、澳門地區的,比如說香港大學的黃明欣教授,他就是在這個地方做完實驗。

港大科研團隊體驗「中國速度」

黃明欣教授是香港大學浙江科學技術研究院研究員和香港大學機械工程系副教授和副系主任,先進合金材料實驗實主任,主要從事金屬材料強韌化、相變研究和汽車輕量化超高強鋼研發。研究内容包含試驗研究、理論建模和三維模拟,同時兼顧基礎研究與應用研究。團隊從 2004 年開始從事先進汽車鋼的研發工作。

黃明欣團隊是一種被稱為「 D & P 鋼」的超級鋼材發明者,它是一種高強度、高張力、高延展性的鋼材。採用簡單的四步低成本製造方法,是近年鋼鐵業的一項重大突破。在研究過程中,黃明欣團隊就利用了「中國散裂中子源」裝置對材料進行「打靶」,為這種超級鋼材提供關鍵數據支持。對超級鋼的研究推動了「中國散裂中子源」的實驗成果首次在世界頂級科技期刊《Science》上發表。

螢幕截圖 2022 10 17 下午5.44.28香港大學黃明欣教授接受內地媒體訪問時指出,申請使用國外的散裂中子源設施做科研最起碼要等半年,但中國可以在一個月內完成審批及實驗。(廣東新聞廣播擷圖)

對此,黃明欣接受內地媒體採訪時表示,「超級顯微鏡」不僅研究數據精准,而且裝置座落的地理位置上的靠近,也吸引了許多像他這樣的港澳科研人士。黃明欣說:「因為這類裝置全世界好少,你要寫方案,你要申請,全世界很多人都申請,競爭一定很激烈,所以你每一次申請你不一定申請得到」。他續指:「你到日本、美國、歐洲去做實驗,你可能等半年之後才可以做得到,但這個(中國散裂中子源)就快,我們一個月之內(就可以做完)。他們知道我這個項目很重要,很快就幫我們安排時間。」

開發治療癌症「神器」

「中國散裂中子源」由正式投入運行以來的 4 年時間裡,已完成科研課題 800 余項,許多創新研究在粵港澳大灣區實現了落地。

據陳延偉介紹,其中最受關注的科研項目是由「中國散裂中子源」自主研發的癌症治療「神器」:硼中子俘獲治療實驗裝置(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT),現在已與東莞市第一人民醫院合作共建的 BNCT 治療中心大樓,快將建成使用。

BNCT 的治療原理是利用中子跟硼元素發生的反應。治療時,先給病人注射含硼元素的藥物,進入人體的硼有很大一部分會吸附在癌細胞上,然後中子跟癌細胞上的硼藥發生反應,釋放出來一個細胞長度的阿爾法離子和鋰離子,正好去殺死癌細胞,但不傷害好的細胞。

陳延偉說:「我們現在這個 BNCT 實驗樣機是 2020 年的 8 月份研制出來,也是我們國家第一台。2020年日本的商業樣機也投入了商業運行,我們應該跟他們基本上是差不多的時間」。

除了 BNCT 與超級鋼材外,「中國散裂中子源」還開展了對世界科技前沿的材料研究,例如高性能芯片和電池等這些涉及未來產業發展的核心技術的攻關研究,完成「奮鬥者」號萬米級深潛器焊接工藝驗證等重大國家項目。目前,「中國散裂中子源」二期工程的規劃正在積極向國家提出申報中,建成後,加速器打靶束流功率將由現在的 100 千瓦提升到 500 千瓦,將大幅度提升研究能力。

 

 

發佈於 科學新知
By 2022-10-17

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