兩個不同大裝置的用戶，為什么都聚到了蘭州？

8月8日，蘭州大學的禮堂里，500多位來自全國各地的科學家聚集在一起。他們很多人互不相識，甚至不能算作“同行”，有些人做材料研究，有些人做生命科學研究，有些人做能源催化研究，還有些人做工程技術研究。

把他們聚到一起的，是兩個大科學裝置——中國科學技術大學國家同步輻射實驗室的合肥光源和中國科學院高能物理研究所的中國散裂中子源。

通常，每個大科學裝置都要定期召開用戶開會，促進裝置用戶之間的交流，了解用戶需求，促進裝置更好地服務于科學研究。這次，運行于合肥和東莞的兩個不同大科學裝置，把各自的用戶都召集到了蘭州，一起開會。

“這是國內首次，兩個不同類型的裝置召開聯合用戶會。”中國科學院高能物理研究所副所長、中國散裂中子源二期工程總指揮王生告訴《中國科學報》，“讓不同大科學裝置的用戶坐在一起，開展跨平臺、跨領域的溝通交流，是非常有意義的一件事，將有助于凝聚優勢力量，更充分地發揮國家重大科技基礎設施作用。”

往返于光源與中子源之間

8月7日，上海交通大學物理與天文學院教授馬杰從上海抵達蘭州，參加這次名為“合肥光源&中國散裂中子源2024年聯合用戶學術年會”的會議。這是他第一次參加這種類型的用戶會議，而他將在會上分享他在研究過程中同時使用兩個裝置的經驗。

馬杰的研究方向是凝聚態物理。他不僅自己合成樣品，還有很多化學、材料科學領域的合作者。這些合作者有時會把量子材料的樣品送到他的實驗室，希望他能從物理學角度，找出進一步提升材料導電和絕熱性能的“秘訣”。

去年，馬杰收到了合作者送來的一份有機磁性大分子樣品。他首先想到，“要了解樣品的磁性結構，中子衍射是最好的工具”。在中國散裂中子源上清楚測試了材料的磁性結構之后，馬杰和理論合作者發現，這個有機材料的結構很復雜，需要清楚了解晶體結構后才能更明確地從實驗、理論角度共同了解材料的磁性。

然而，探測有機材料的結構，并非中子衍射的強項。“我們的有機樣品重含有很多對中子的吸收能力比較強的元素，如果用中子源來測量晶體結構的話，有可能耗時長且效果不好。”馬杰說。

常駐上海的他，想到了上海光源。他緊急向上海光源遞交了實驗申請。由于實驗相對簡單，所需時間也不長，他很快獲得了機時并完成實驗。如今，他們已經開始著手撰寫論文。

在會上，馬杰發現，在中國散裂中子源的用戶中，像他這樣往返于同步輻射光源和中子源之間的研究人員不在少數。

王生介紹，中國散裂中子源的用戶中，95%以上同時是同步輻射光源的用戶。

合肥光源用戶專家委員會主任丁洪院士也告訴《中國科學報》，目前，國內對同步輻射光源用戶的需求大，其中就包括中國散裂中子源的用戶。

“左膀”與“右臂”

同步輻射光源和散裂中子源，都被稱為“超級顯微鏡”。

同步輻射光源的工作原理類似于人們去醫院拍X光片，用X射線探測物質內部結構；散裂中子源則是用中子作為微觀世界的“探針”。

王生介紹，兩類裝置就像物質結構研究的“左膀”與“右臂”，各具特色，又互相補充，可實現物質表面到深層、輕重元素、電子與磁結構等多尺度多維度研究。

“同步輻射光源是讓X射線與核外電子相互作用，散裂中子源主要是讓中子與原子核相互作用，兩者結合在一起，可以獲得物質材料的更完整結構信息。”王生說。

記者了解到，合肥光源是我國首臺專用同步輻射光源，自1984年歷經了一期、二期工程建設。除了合肥光源外，國內現有同步輻射光源還有北京同步輻射裝置和上海光源，其中，合肥光源的線站接待能力已飽和，正在計劃開展進行第三輪升級；上海光源線站工程也正在升級過程中。此外，合肥先進光源、位于北京懷柔的高能同步輻射光源也正在建設之中。

中國散裂中子源是我國首臺脈沖型散裂中子源，建成于2018年。王生介紹，中國散裂中子源的裝置運行和開放效率正在不斷提高，2023年至2024年度，裝置完成實驗課題數持續增長，總數近500項，運行開放時間和運行效率在國際同類裝置中也是最高的。

“在關鍵技術和實驗方法、裝置建設和維護、開放運行和用戶支持等方面，兩類裝置也有許多共通之處，也正因如此，它們擁有眾多共同的用戶群體。”在王生看來，“這次合肥光源和中國散裂中子源聯合召開用戶學術年會，是一個好的開端。”

跨裝置做實驗，壁壘能否突破

對于很多想同時用兩個裝置做實驗的科學家來說，有渠道，但耗時耗力。

丁洪介紹，目前國內同步輻射光源裝置的申請通過率大約在60%左右，同時也都預留了加急機時。但與國際類似，我國同步輻射光源因為機時已經飽和，用戶從申請機時到最后能夠開展實驗，需要半年或更長時間。

耗時耗力的問題有時會“勸退”一些研究人員。曾在國外工作過的馬杰就遇到過類似情況。當時，他工作的地方是美國橡樹嶺國家實驗室中子散射中心。有幾次，他要測樣品結構，如果用中子源需要測3個小時，而如果用同步輻射光源只需要1個小時。然而，一想到要重新再寫一份實驗申請，要開好幾小時的車才能抵達位于伊利諾伊州的阿貢國家實驗室，要再接受培訓并熟悉不同的軟件，他就會選擇放棄，寧可用更長的時間在中子源上完成實驗。

“美國阿貢國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室聯合成立了暑期學校，但主要是針對學生，而他們的用戶大多數是正式的科研人員，用戶當然更希望兩個裝置的合作可以有更深層次的聯動。”馬杰說。

“用戶申請機時的問題還沒有真正解決。”王生也發現，“各個裝置都有自己的機時安排，而且也不是所有用戶都能申請到機時，這會顯著影響到研究工作的效率。”

他表示，目前有不少中國散裂中子源的用戶，呼吁在中子源附近建設一臺先進光源，讓兩個裝置實現共同的開放運行，以解決用戶對裝置聯動方面的需求。

“在南方新建一個光源的想法幾年前就已經提出來了，目前我國幾大綜合性國家科學中心，只有南方的粵港澳大灣區缺少一個同步輻射光源裝置。如果這個光源能夠建在中國散裂中子源附近，對于用戶來說會更加方便。”丁洪說。

據悉，目前，英國哈維爾科學園區聚集了英國散裂中子源和英國鉆石光源；歐洲也正在位于瑞典隆德的MAX IV同步輻射光源旁邊建設歐洲散裂中子源。

“我們希望盡快向國家申請建設一臺世界先進的同步輻射光源裝置，加快形成多種研究手段互補的大科學裝置集群，充分發揮中子散射技術與同步輻射技術的協同互補性，同時，通過優化運行管理機制，使用戶同時申請光源和中子源的機時成為可能，極大提高研究效率。”王生說。

馬杰等裝置用戶則夢想著一種更簡約的聯動方式：“在提交散裂中子源機時申請書時，會有一個選項問我們‘這項研究是否會用到同步輻射裝置’，如果要用的話，‘用哪條線站’，如果申請通過就直接可以協調相應的機時。”

“那將會是一種效率更高的實質性聯動。”馬杰滿懷期待。