第281次香山科学会议 总结.doc

第281次香山科学会议 总结会议主题：同步辐射与中子散射交叉的前沿科学问题Cross-disciplinary Sciences of Synchrotron Radiation and Neutron Scattering会议执行主席 方守贤 院 士 中科院高能物理研究所 冼鼎昌 院 士 中科院高能物理研究所 张 杰 院 士 中科院物理研究所赵志祥 研究员 中国原子能研究院地点：北京，香山饭店时间：2006年8月3日8月4日香山科学会议 第281次学术讨论会同步辐射与中子散射交叉的前沿科学问题总 结 报 告 （V2）不断向高精深层次发展、各学科广泛交叉并与高新技术的密切结合是当今科学研究发展的趋势。不同类型的大科学装置及其衍生的强大综合功能，极大提高了人类探索微观世界的能力，已成为物质科学研究非常重要的实验装置，并由此涉及十分广泛的学科领域。依托大科学装置建立一流科研基地，是未来中国科学的发展方向。基于这些大科学装置实验技术的综合应用，尤其是具有方法学互补优势的大科学装置和技术，是建立一流交叉学科科研基地的基础。同步辐射与中子散射技术，就是一个典型的代表。同步辐射与中子散射技术涉及凝聚态物理、材料科学、化学化工、环境科学、高压物理、生物医学、地球科学、剂量学、地质资源和考古、软X光学、微电子技术等许多领域开展了大量工作。新一代的中国散裂中子源计划也正在启动之中。这些由国家投资数十亿建造的大科学装置和研究平台，如何能够在世界科学前沿的研究工作、如何在各学科以及交叉学科领域的应用研究中发挥更好、更关键的作用，是中国科学家需要深入思考和讨论的问题。不同领域的科学和技术的交叉以及各种实验技术的集成，是实现高水平科学目标的关键。基于这样的前瞻性思考，为了讨论如何充分发挥我国大科学装置平台同步辐射光源、CARR堆和散裂中子源在前沿科学研究中的作用，2006年8月3-4日，我们及时组织召开以“同步辐射与中子散射交叉的前沿科学问题”为主题的香山科学会议。会议聘请方守贤院士（中科院高能物理研究所），冼鼎昌院士（中科院高能物理研究所），张杰院士（中科院物理研究所），赵志祥研究员（中国原子能研究院）担任会议执行主席。来自科研院所、高等院校以及美国等20家单位的54名专家学者参加了此次学术讨论会。本次会议中心议题包括（1）凝聚态物理：同步辐射与中子散射的交叉；（2）软物质与生命科学：同步辐射与中子散射的交叉；（3）成像与医学：同步辐射与中子散射的交叉；（4）同步辐射与中子散射技术方法学的交叉。 一、 同步辐射技术与中子散射技术的前沿科学问题冼鼎昌院士在“同步辐射和散裂源中子应用的比较”的主题评述报告中，从五个方面重点阐述了（1）同步辐射及中子的主要性质及分类；（2）X光及热中子与物质的相互作用；（3）同步辐射及中子应用的设施对比(Instrumentation)；（4）同步辐射及中子应用方法的发展(Method)；以及（5）同步辐射及中子科研的一些对比(Application)。同步辐射的强度很高，能够进行聚焦，具有很好的准直性和相干性，能量可以调节，这些特性使得同步辐射在生命科学、材料、物理、化学、环境等领域得到了广泛的应用。中子的强度相对较弱，能量也能够调节，目前聚焦和准直的水平还需提高，但是由于中子具有很多独特的性质，如能量较低，对于所研究样品造成的破坏很小；中子具有磁矩，是研究磁性体系的有利工具；中子的穿透能力很强，能够顺利的胜任工业应用的大块样品的研究。这些特性使得同步辐射和中子成为相辅相成的两种手段。同时两种不同的中子源，反应堆中子源和散裂中子源在特性上也是相互配合的。冼鼎昌院士针对大科学装置的特征，阐述了开展高水平研究所必须的“IMA”的系统思想，即InstrumentationMethodApplication需要同步协调发展。大科学装置上的良好运行必须依靠仪器和方法的不断发展，而这些发展无疑应该紧密结合具体的应用。由于仪器和方法的创新获得突破性研究成果的例子比比皆是。这就要求在装置上的研究和工作人员要与进行具体应用的用户紧密结合，同时要摒弃以往不重视仪器设备以及实验方法的想法。来自美国Argonn国家实验室的龍振強先生作了题为“The Frontier of Neutron Science and Technology: A Provocative Assessment”的主题评述报告。报告从宏观上对中子科技的历史、现状和前景进行了简要的介绍和评述，并对中国先进研究堆（CARR）和中国散裂中子源（CSNS）的建设和发展方向提出了建议。他指出，自中子散射技术成功应用于实践以来，为物体结构和性质的研究提供新的手段，对诸多学科的发展都起到了积极的推动作用。当前，西方发达国家基本上都将其作为支持跨学科交叉和综合的研究平台，其对科学研究和经济建设的拉动效应日趋显著。因此，迫切需求中国高度重视和大力发展中子散射技术。中子散射中心的建立，将会大大推动科技创新研究和工业应用，促进科技进步和社会经济发展，提升中国在国防安全、新型能源、环境问题及疾病控制等领域的核心竞争力。龙振强博士建议：首先，我们要加强中子散射与同步辐射技术之间的交流与合作，优化各个大型科学装置间谱仪的配置，避免不必要的重复投资；其次，要重视国际交流与合作，充分利用国际上现有的技术与资源，培养一支精干的科学家队伍；第三，必须重视用户的需求与培养，以确定大装置建成后有足够的用户及先进的科学目标，最大限度提高其社会效益和经济效益。张杰院士“散裂中子源(CSNS)多学科应用平台” 的报告中重点阐述了散裂中子源与同步辐射光源对研究物质结构的重要意义。张杰指出，利用散裂中子源产生的中子束可以测定物质的内部结构，研究其物理、化学等性质。由于中子的特殊性质，在研究物质内部微观运动规律、测定氢元素和同位素的位置以及磁性结构等方面具有同步辐射光源不可替代的作用。散裂中子源是新一代的强流中子源，能产生比核反应堆强10-100倍的有效中子束流，是对物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药等众多学科的基础性的创新研究有极大推动和提升作用的、先进的大科学装置。它不利用核燃料和没有核临界问题，安全可靠。张杰强调，散裂中子源对多学科的基础性创新研究和工业应用都能产生极大的支撑、推动和提升作用，同时散裂中子源与国防安全技术、核技术、新型能源等方面密切相关，其核心技术极其敏感，且建设周期较长，我国必须尽快自主部署建设。散裂中子源是为多学科应用提供创新性研究服务的平台型的大科学装置，能为国内很多相关研究所、大学和产业部门服务。积极开展国际合作，特别加强对和国计民生有关的重大科技攻关项目的支撑，将我国的科技创新研究和工业应用提高到新水平，借此大力推动科学技术进步和社会经济发展急需的新理论、新材料和新技术的产生、应用和发展。张杰院士还介绍了我国的第一个散裂中子源的建设目标：束功率100 kW的质子加速器；脉冲中子通量达2.5 x 1016 / cm2 s的靶站；拥有针对不同学科需求的多台谱仪的中子散射实验室；组成拥有500个用户的用户委员会。二 凝聚态物理：同步辐射与中子散射的交叉同步辐射光源的相关技术应用也是当前国际热点领域之一。中科院上海应用物理研究所的何建华研究员在“上海光源首批线站及其科学目标”的专题报告中，对国内相关研究的进展进行了介绍，并着重介绍了上海光源的建设情况。上海光源的定位是先进的中能第三代同步辐射光源，其储存环电子能量为3.5GeV，发射度约为3.9nmrad，可在用户需求最集中的光子能区（0.140keV）产生高亮度的同步辐射光。上海光源首批计划建造生物大分子晶体学、XAFS、衍射、硬X微聚焦及应用、X射线成像及生物医学应用、软X射线光谱学显微、X射线小角射线站等7个线站。它们建成后将生命科学、材料科学、地球环境科学、物理学、医药学、考古学等多学科研究与新技术开发提供强有力手段和综合平台。散裂中子源由于具有诸多优点而成为各国竞相发展的大型跨学科综合研究平台。在“散裂中子源中子散射谱仪的多学科应用”的报告中，中科院物理所散裂中子源靶站谱仪工程中心的王芳卫研究员介绍了散裂中子源的中子散射技术特点和当前国际发展的方向，并详细阐述了即将建设的我国散裂中子源散射谱仪的首期设计构想。根据我国用户的建议和要求，我国的散裂中子源将设计建造高通量粉末衍射、高分辨粉末衍射、宽Q值小角散射、多功能反射和直接几何非弹性等五台典型的中子散射谱仪。它们将覆盖大部分的中子散射研究领域。目前，特殊用户群体还针对其研究领域应用需求，提出了共建工程材料和高压应用等两台谱仪。2002年1月，国务院正式批准建设中国先进研究反应堆（CARR）。中国原子能科学研究院的陈东风研究员介绍了该项目中子散射谱仪建设的最新情况。该反应堆功率60兆瓦，通量8x1014n/cm2.s, 建成后位于世界先进水平（前三位），主要目的是从事中子散射等方面的研究工作。CARR堆的建设在时间和和地域上与中国散裂源具有非常好的互补性，并可为中国散裂源的建设提供人员培训和谱仪使用方面的支持。目前在前期工程进展顺利，根据计划CARR将于2007年底达到满功率。近期原子能研究院与中科院化学所和物理所等多家单位，共同提交了关于在CARR增加一台小角谱仪和一台垂直几何反射谱仪的中子散射谱仪中心建设计划书。该计划得到了科技部、科学院和核工业总公司的大力支持。与次同时, 中国原子能科学研究院还正在与德国瑞典等其他欧美国家合作，共建工业应用谱仪和三轴谱仪等基础科学研究谱仪，并将对国内外用户开放。首要目标是通过该实验基地初步满足国内现有用户对中子散射的迫切需求，并与散裂源的建设密切配合，充分发挥散裂源和反应堆的互补性，合理配置谱仪，从现在到不远的未来，使得国内外的中子散射用户尽可能多的受益。晶体结构测定是包括材料、生命等现代科学研究中最重要的领域之一。中国科学院研究生院的胡中波研究员的“晶体结构解析的自动化”专题报告，详细阐述了该领域的发展状况和存在的问题。他指出，衍射技术是直接测定晶体结构的关键技术，过去几十年虽有长足的进展，但其复杂性和对使用者的较高要求制约了该技术的广泛使用，因而衍射系统/技术的智能化、自动化具有重要的意义。这方面已经取得一些积极的成果，但要取得重大突破尚需时日。与会专家讨论认为，中子散射和同步辐射相辅相成，具有很强的互补性，是研究物质微观结构和动态的理想工具。因此，中子散射和同步辐射之间必须加强交流，分工协作，合理配置谱仪，优化科研资源分布；并充分利用同步辐射、反应堆及散裂源建设运行的时间差，尽可能的为更多的国内用户服务，开展高水平的研究。 三 软物质与生命科学：同步辐射与中子散射的交叉中国科学院高能物理研究所董宇辉研究员进行了“同步辐射研究蛋白质结构和功能”的报告，详细论述了同步辐射的各种实验手段，如蛋白质晶体学、X射线小角散射、X射线吸收谱和真空紫外圆二色在揭示蛋白质结构和功能中的作用，并阐述了X射线各种方法的优缺点以及与基于中子的相应方法之间的互补性。报告认为，对于一个特定的蛋白质体系结构和功能详细的研究，仅仅依靠一种方法是远远不够的，需要把各种不同的实验和理论手段进行综合，需要在装置上进行仪器和方法研究的科学家与进行具体生物学研究的科学家之间开展紧密的合作。中国科学院化学研究所韩志超研究员报告的题目是“SANS and neutron reflection study on polymer system”。他详细介绍了中子小角散射和反射在聚合物的相变、动态过程研究的作用。中子作为一种特定的探针，在聚合物这种主要由轻元素组成的材料研究中具有特定的优势。中国科学院物理研究所李明研究员的报告“同步辐射X射线散射在液体界面研究中的应用”介绍了利用同步辐射的反射和散射手段对各种液体界面上的研究进展。这个热门的研究领域由于同步辐射实验技术的发展，最近取得了引人注目的进展，使得我们对于液体的认识大为深化。这些研究必须根据研究的特殊需要，对同步辐射实验装置进行必要的改进，这种研究模式可以为未来的中子研究借鉴。中国科学院物理研究所江凡研究员的报告“Protein structure and dynamics as revealed by neutron scattering methods”描述了利用中子散射手段对蛋白质折叠动态过程的研究。在生物体系动态过程的研究上，中子也是可以发挥其特有的作用的。与会专家讨论认为：中子和SR的互补性是明显的，国内已经有BSRF，合肥光源和即将建成的上海光源，中子源有CARR堆和即将建造的散裂中子源，目前有计划要在两种源上同时进行实验。方守贤院士指出，三个不同的同步辐射在不同的时间，不同的区域，不同的能量范围上是互补的。不同的方法应当结合，包括X光/中子，衍射/散射/谱学的方法。更重要，也是更困难的任务是需要和用户的具体研究结合，根据研究的需要发展仪器和方法。仪器和方法的研究要加强。四 成像与医学：同步辐射与中子散射的交叉中科院高能物理研究所姜晓明研究员进行了“同步辐射X线的成像的应用及发展”报告，他系统比较来各种成像方法的空间分辨率，以及相位衬度成像的几种方法，指出相衬成像技术是提高对比分辨率的有效手段。他详细论述了同步辐射X射线成像原理、方法、设备、应用和发展趋势。同时，分析了中子成像的原理与优点，认为同步辐射成像技术与中子成像具有很强的互补性，推出进行合作系统的研究建议和设想。清华大学貊大卫教授以题为“中子照相技术”为题，回顾了八十、九十年代在清华大学反应堆上进行的中子照相研究工作，推出目前中子成像的可能遇到的几个问题，首先是如何在现场进行检测，其次是中子照相技术的成本太高，降低成本是一个重要的任务，最后是应该进一步研发简单、方便、实用、环保的照相方法。他认为中子照相技术可以应用的范围很广主要是国防、反恐、走私检测等，但是生物医学成像也应该是一个发展方向。清华大学唐劲天教授报告了“生物医学影像需求与中子成像的应用”，介绍了大量的临床成像实例，推出为了满足医学的要求需要考虑以下一些问题，如分辨率：具有更高的空间分辨率和对比分辨率，即可以观察细胞核的机构；无创活体显微观察，不用切开组织取材或穿刺活检不用染色或任何标记；立体断层成像在对整体进行显微观察时，可以解决多个细胞的影像互相重叠。与会专家讨论认为：相衬成像技术与脑成像结合研究AD病，相位衬度的灵敏度的定量测量，等是十分关键的问题。X光成像同步辐射是非常好的光源，用同步辐射做前期方法研究，寻找最佳条件，争取以后在小光源上实现，当然也不排除直接利用同步辐射。专家建议中国原子能研究院考虑进行国防和医学的成像，这对于科学大装置产生良好的社会影响。总结与建议 同步辐射的强度很高，能够进行聚焦，具有很好的准直性和相干性，能量可以调节，这些特性使得同步辐射在生命科学、材料、物理、化学、环境等领域得到了广泛的应用。散裂中子源对多学科的基础性创新研究和工业应用都能产生极大的支撑、推动和提升作用，同时散裂中子源与国防安全技术、核技术、新型能源等方面密切相关。散裂中子源是为多学科应用提供创新性研究服务的平台型的大科学装置，能为国内相关研究所、大学和产业部门服务。CARR堆的建设在时间和地域上与中国散裂源具有非常好的互补性，不仅可以初步满足国内现有用户对中子散射的迫切需求，并可为中国散裂源的建设提供人员培训和谱仪使用方面的支持。积极开展同步辐射和中子散射两者的交叉，加强对和国计民生有关的重大科技攻关项目的支撑，将我国的科技创新研究和工业应用提高到新水平，可以大力推动科学技术进步和社会经济发展急需的新理论、新材料和新技术的产生、应用和发展。这次会议的主题综述报告、专题报告和讨论发言的水平非常高。与会者认真的态度，严谨的学风，出色的发挥，积极的互动，使会议取得了极大的成功。经过研讨形成了许多重要的共识，提出了许多很好的建议。会议把工作在同步辐射和中子散射领域的老中青几代科学家会聚一堂，请来国外优秀的华人科学家建言献策，从一个侧面反映了我国同步辐射和中子散射事业的兴旺向上的前景。与会专家强调，同步辐射和中子散射技术的应用，可以促进我国多个学科领域的技术进步，在国家急待解决的重大科学技术问题中有相当高的覆盖面。正在建设中的几个大的科学装置是我国多学科综合性应用的重要平台和核心装备，应该积极呼吁及早考虑其应用终端的配套的问题和解决运行经费的问题，并深入研讨在这些装置上开展的创新研究课题。在建之中的大科学平台应该重视仪器设备的建设和方法学的创新以及用户群的培育。一. 重点科学问题本次会议的重点科学问题，体现在充分的学科“交叉”，包括如何开展：1.同步辐射技术与中子散射技术的交叉；2.散裂中子源与反应堆中子源技术的交叉；3.同步辐射和中子散射技术与凝聚态物理、软物质与生命科学、成像与医学等科学