我國(guó)首臺(tái)脈沖型散裂中子源建成

將微觀世界看通透(厲害了,中國(guó)科技)

日前,建在廣東東莞的我國(guó)“十一五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國(guó)散裂中子源按期、高質(zhì)量完成了全部工程建設(shè)任務(wù),通過了中國(guó)科學(xué)院組織的工藝鑒定和驗(yàn)收。這是中國(guó)首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖型散裂中子源,它的建成填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白,為我國(guó)材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的研究手段。

像一臺(tái)超級(jí)顯微鏡,可以研究DNA等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

中國(guó)散裂中子源于2011年9月開工建設(shè),工期6.5年,總投資約23億元。其主要建設(shè)內(nèi)容包括一臺(tái)直線加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站,以及一期三臺(tái)供中子散射實(shí)驗(yàn)用的中子譜儀,是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。

1932年,英國(guó)物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子,人們開始認(rèn)識(shí)到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。由于中子不帶電,具有磁矩,且穿透性強(qiáng),能分辨輕元素、同位素和近鄰元素,具有非破壞性,這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一,和X射線一樣,是多學(xué)科研究中探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)有力手段。

那么,什么是中子散射?它又是怎么探測(cè)到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的?

中國(guó)散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生介紹:“當(dāng)一束中子入射到研究樣品上時(shí),與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用,產(chǎn)生散射。通過測(cè)量散射的中子能量和動(dòng)量的變化,就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,告訴人們?cè)雍头肿拥奈恢眉捌溥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。”

陳和生進(jìn)一步解釋說:“打個(gè)比方,假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng),我們不斷地扔出很多玻璃彈珠,彈珠有的穿網(wǎng)而過,有的則打在網(wǎng)上,彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄下來,就能大致推測(cè)出網(wǎng)的形狀;如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強(qiáng),就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來,甚至推斷其材質(zhì)?！?/p>

然而,進(jìn)行中子散射的研究,需要用中子做探針,就必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉?先進(jìn)的中子源是中子科學(xué)研究的基礎(chǔ)。散裂中子源正好符合需求。

“散裂中子源是用來自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶,引起金屬原子的散裂反應(yīng),釋放出大量的中子。這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流,中子慢化(中子與介質(zhì)原子核碰撞,引起中子能量減少而減速的現(xiàn)象)后與樣品發(fā)生散射,最后由中子散射譜儀接收,我們科研人員就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測(cè)物體的微觀特征?！标惡蜕f,“通俗點(diǎn)說,散裂中子源就像一臺(tái)‘超級(jí)顯微鏡’,可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。”

在材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、新能源等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景

散裂中子源可以產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子,并通過測(cè)量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程,探測(cè)樣品原子核的位置和運(yùn)動(dòng)狀況,因此,在材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景。例如,1998年6月,德國(guó)一輛城際快車意外出軌,最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國(guó)散裂中子源上檢測(cè)的,發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕。事實(shí)上,無論是高鐵的輪軌,還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼,里面都有應(yīng)力,它決定了高鐵和飛機(jī)使用壽命和安全性。但是,這個(gè)應(yīng)力看不到、摸不著,對(duì)它的研究成了避免災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵?！艾F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上測(cè)量研究輪軌和機(jī)翼的剩余應(yīng)力,優(yōu)化機(jī)械加工工藝,使高鐵和飛機(jī)變得更安全舒適?！标惡蜕f。

散裂中子源技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。

例如,在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中,散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件,其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)。

中子散射是研究鋰電池的利器。大幅度地提高鋰電池的性能是電動(dòng)汽車推廣的關(guān)鍵,可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀,實(shí)時(shí)原位測(cè)量在幾百次充放電的過程中,鋰電池各個(gè)部分性能的變化,為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。國(guó)外的散裂中子源都建設(shè)了這樣專門研究鋰電池的譜儀,且嚴(yán)加保密。

中子散射還可以對(duì)文物進(jìn)行無損研究。比如想知道我國(guó)南北朝時(shí)期的一尊佛像的制造工藝,卻無法把文物大卸八塊進(jìn)行分析。利用中子成像技術(shù),可以看到佛像的中間有一根木制“主梁”。這是因?yàn)橹凶由⑸鋵?duì)輕的元素非常敏感,中間的棍子是木頭做的,也就是碳?xì)浠衔?中子可以輕易地“看到”它。由此,科學(xué)家能清晰地了解這尊佛像的制造工藝:先在中間立一根木梁,在木梁周圍纏上“支撐架”,最終用黏土制成。

設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超九成,靶站最高中子效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

2017年8月,中國(guó)散裂中子源首次打靶成功并獲得中子束流;2017年11月達(dá)到打靶束流功率的驗(yàn)收指標(biāo);2018年春節(jié)期間,科研人員繼續(xù)進(jìn)行緊張的調(diào)試運(yùn)行。期間加速器運(yùn)行穩(wěn)定,束流功率和連續(xù)運(yùn)行時(shí)間均創(chuàng)調(diào)束以來的新高,首期三臺(tái)中子譜儀,即通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀,都順利完成樣品實(shí)驗(yàn)。通用粉末衍射儀已經(jīng)完成了兩個(gè)高水平的用戶實(shí)驗(yàn)。

此次驗(yàn)收中,工藝鑒定驗(yàn)收專家委員會(huì)評(píng)價(jià):中國(guó)散裂中子源性能全部達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家發(fā)改委批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。裝置整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理,研制設(shè)備質(zhì)量精良,調(diào)試速度快于國(guó)外的散裂中子源。靶站最高中子效率達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

中國(guó)散裂中子源通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新,在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術(shù)成果。設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率超過90%,顯著提升了我國(guó)在磁鐵、電源、探測(cè)器及電子學(xué)等領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力,使我國(guó)在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大跨越,技術(shù)和綜合性能進(jìn)入國(guó)際同類裝置先進(jìn)行列。

陳和生說:“例如國(guó)內(nèi)首次研制成功25Hz交流諧振勵(lì)磁的大型二極和四極磁鐵及電源,交流磁場(chǎng)精度達(dá)到同類裝置國(guó)際領(lǐng)先水平;自主研制成功液氫慢化器,通過靶—慢化器—反射體緊湊耦合的物理和工程設(shè)計(jì),保證靶站高中子效率,等等?！?/p>

中國(guó)散裂中子源建成后,將充分發(fā)揮一期三臺(tái)譜儀在材料科學(xué)、生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué)等領(lǐng)域的作用,為廣大用戶提供國(guó)際先進(jìn)的研究平臺(tái),為我國(guó)的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國(guó)際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供良好的機(jī)遇。

同時(shí),為了充分發(fā)揮裝置作用,滿足中子散射研究和應(yīng)用用戶迫切需求,專家委員會(huì)建議:中國(guó)散裂中子源應(yīng)盡快達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。在裝置通過驗(yàn)收后盡快啟動(dòng)二期工程立項(xiàng),開始后續(xù)譜儀建設(shè),進(jìn)一步提升束流功率。本報(bào)記者 吳月輝