探訪中國(guó)散裂中子源:“超級(jí)顯微鏡”帶你探微格物
2022年11月14日 09:24 來源:中國(guó)紀(jì)檢監(jiān)察報(bào)

  “超級(jí)顯微鏡”帶你探微格物

  探訪中國(guó)散裂中子源

  本報(bào)記者 初英杰

  裝置簡(jiǎn)介:

  中國(guó)散裂中子源(CSNS)是我國(guó)首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖式散裂中子源,是國(guó)際前沿基礎(chǔ)研究和國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)域多學(xué)科交叉研究的大型平臺(tái)。中國(guó)散裂中子源的成功建設(shè),填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白,技術(shù)和綜合性能進(jìn)入國(guó)際同類裝置先進(jìn)行列,顯著提升了我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域的重大跨越,為物質(zhì)科學(xué)、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)研發(fā)提供了強(qiáng)有力的支撐。

  廣東東莞大朗鎮(zhèn),松山湖科學(xué)城。

  這里曾是一片荔枝林,如今坐落著一座“中子工廠”。

  中國(guó)散裂中子源(CSNS),我國(guó)迄今為止已建成的單項(xiàng)投資規(guī)模最大的大科學(xué)工程。它的建成,使我國(guó)成為繼英國(guó)、美國(guó)、日本之后,世界上第四個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國(guó)家。

  前不久,中國(guó)散裂中子源二期工程組織了可行性研究報(bào)告評(píng)審。明年上半年,二期工程有望動(dòng)工建設(shè)。

   散裂中子源是什么,為什么被稱為“國(guó)之重器”?

  中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(以下簡(jiǎn)稱中科院高能所)副所長(zhǎng)、東莞研究部主任陳延偉打了個(gè)比方:“簡(jiǎn)單來說,散裂中子源就是一臺(tái)‘超級(jí)顯微鏡’,其產(chǎn)生的中子如同‘探針’,可以清晰檢測(cè)物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。”

  陳延偉介紹,作為當(dāng)今人類深度探索微觀世界的有力工具,散裂中子源廣泛應(yīng)用于新材料研發(fā)、關(guān)鍵零部件的性能檢測(cè)等熱門領(lǐng)域,為材料科學(xué)技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、新能源等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供先進(jìn)的科研平臺(tái),對(duì)滿足國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和解決前沿科學(xué)諸多領(lǐng)域的瓶頸問題具有重要意義。

  1 設(shè)備研制達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%以上

  中子,組成原子核的基本粒子之一。

  中子有很多特質(zhì)。它不帶電,但有磁矩,能很好地幫助我們對(duì)磁性結(jié)構(gòu)做研究;它穿透力強(qiáng),具有非破壞性,能夠原位地研究大的工程部件的殘余應(yīng)力和金屬疲勞,為高端制造保駕護(hù)航;它對(duì)生命科學(xué)和能源領(lǐng)域極為重要的元素,如碳、氫、氧、氮等,都比較敏感;它跟原子核相互作用,能夠區(qū)分同位素……

  “這些特質(zhì),決定了中子在微觀研究領(lǐng)域的不可替代性!敝锌圃焊吣芩鶘|莞研究部副主任、散裂中子源科學(xué)中心副主任金大鵬對(duì)記者說。

  研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)需要大量中子,這就要用到能安全、高效地產(chǎn)生中子的散裂中子源。

  中國(guó)散裂中子源主要由三大部分構(gòu)成:2臺(tái)加速器,包括1臺(tái)負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái)快循環(huán)質(zhì)子同步加速器;1個(gè)靶站;多臺(tái)中子譜儀。此外,還有相應(yīng)配套設(shè)施。

  陳延偉介紹了其工作原理:將質(zhì)子加速到16億電子伏特,把速度相當(dāng)于0.92倍光速的質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”,去轟擊原子序數(shù)很高的重金屬靶。靶的原子核被撞擊出質(zhì)子和中子,科學(xué)家通過特殊的裝置“收集”中子,開展各種實(shí)驗(yàn)。

  建設(shè)中國(guó)散裂中子源的建議,始于上世紀(jì)九十年代末期關(guān)于中國(guó)高能物理發(fā)展戰(zhàn)略的研究。此后,中國(guó)散裂中子源被列入國(guó)家“十一五”大科學(xué)裝置建設(shè)計(jì)劃。2006年,中國(guó)散裂中子源選址廣東東莞。

  2011年,中國(guó)散裂中子源開始正式建設(shè)。2017年8月,首次質(zhì)子打靶,成功獲得中子束流;2018年3月,正式建成;2018年8月,正式通過國(guó)家驗(yàn)收,投入運(yùn)行。

  散裂中子源裝置龐大,設(shè)備部件繁多,工藝復(fù)雜!敖ㄔO(shè)散裂中子源,很多技術(shù)都需要從頭探索。6年半時(shí)間就能建成,離不開關(guān)鍵核心技術(shù)的突破!苯鸫簌i介紹。

  快循環(huán)質(zhì)子同步加速器所用的25赫茲交流磁鐵,在我國(guó)屬首次研制。研制期間,遇到了超乎想象的技術(shù)難題。

  鐵芯和線圈振動(dòng)開裂、渦流發(fā)熱……如何解決這些經(jīng)驗(yàn)之外的新問題?科研人員與合作單位聯(lián)合攻關(guān),最終依靠自己的力量研制出合格的磁鐵。科研人員還創(chuàng)新提出了諧振電源的諧波補(bǔ)償方法,解決了多臺(tái)磁鐵之間的磁場(chǎng)同步問題。

  挑戰(zhàn)接踵而至——

  高功率靶要用到鎢材,而鎢材不耐沖刷,需要在其外包覆一層鉭金屬。怎樣把鉭做到足夠薄,并提高鉭和鎢的結(jié)合力?

  在零下253攝氏度左右低溫下工作的液氫慢化器,其焊接都是難度極大的薄壁焊接,如何保證可靠性?

  中國(guó)散裂中子源的建設(shè)過程,也是自主攻關(guān)掌握核心關(guān)鍵技術(shù)的過程。金大鵬介紹,25赫茲交流磁鐵、高功率靶、液氫慢化器、中子探測(cè)器等多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)突破以后,對(duì)其他領(lǐng)域的發(fā)展也產(chǎn)生了一定影響。

  中國(guó)散裂中子源各項(xiàng)設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國(guó)近百家合作單位完成。通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新,許多設(shè)備的研制達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,核心設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%以上,這不僅大大降低了裝置成本,還有力提升了國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和制造能力。

  金大鵬舉了個(gè)例子:由于工藝水平高、產(chǎn)品質(zhì)量好,中國(guó)散裂中子源靶體部件的制造單位,成功中標(biāo)了世界上第五臺(tái)脈沖式散裂中子源——?dú)W洲散裂中子源的靶體部件。

  2 研發(fā)過程中的技術(shù)突破有望為腫瘤治療帶來重要技術(shù)革新

  位于地下17米的加速器隧道里,排列著各種顏色、連接各種管線的復(fù)雜設(shè)備。

  科研人員使用氫氣產(chǎn)生負(fù)氫離子,并將它們?cè)谥本加速器里加速。當(dāng)它們的能量達(dá)到8千萬電子伏特時(shí),將“飛奔”進(jìn)入環(huán)形的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器。

  一秒鐘之內(nèi),就有25波負(fù)氫離子奔來。在這里,負(fù)氫離子將轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子,并通過不斷“狂奔”、反復(fù)加速,將能量提高到16億電子伏特,速度提升到0.92倍光速。接近光速的質(zhì)子束被引出,去轟擊鎢靶,由此產(chǎn)生中子。

  在加速器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過程中,也產(chǎn)生了一些新技術(shù)成果,并已衍生出具體應(yīng)用,開花結(jié)果。

  利用中國(guó)散裂中子源的射頻四極加速器技術(shù)突破,2020年8月,研究人員成功研制出我國(guó)首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加速器硼中子俘獲治療(BNCT)實(shí)驗(yàn)裝置,可用于癌癥治療研究。這為我國(guó)醫(yī)用BNCT裝置整機(jī)國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ),有望為腫瘤治療帶來重要技術(shù)革新。首臺(tái)臨床設(shè)備已在醫(yī)院安裝,預(yù)計(jì)2023年5月完成安裝調(diào)試。

  中國(guó)散裂中子源正式運(yùn)行并向國(guó)內(nèi)外科學(xué)家、工程技術(shù)人員、工業(yè)企業(yè)開放后,大科學(xué)裝置的綜合效應(yīng)日益顯現(xiàn)。

  “中國(guó)散裂中子源在多個(gè)領(lǐng)域開展重大創(chuàng)新研究,包括對(duì)深海潛水器等大型工程部件進(jìn)行殘余應(yīng)力和服役性能檢測(cè)等,為國(guó)家急需的許多高性能結(jié)構(gòu)材料攻關(guān)提供了關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。在磁性材料、納米功能材料、高效催化劑、自旋電子學(xué)、有機(jī)太陽能薄膜電池、金屬玻璃、高分子聚合物、生物大分子等國(guó)際前沿科技研究中,也取得一大批成果。”陳延偉說。

  什么是殘余應(yīng)力?它是指在材料、部件加工、服役等過程中,保留在其內(nèi)部的應(yīng)力,可能導(dǎo)致工程部件的變形乃至失效。

  深海潛水器的殼體是鈦合金焊接的。下潛海底萬米,要扛住巨大的海水壓強(qiáng),焊接的可靠性至關(guān)重要。

  “我們對(duì)它的焊接模擬件進(jìn)行檢測(cè),了解不同焊接工藝的殘余應(yīng)力參數(shù),為殼體壽命預(yù)測(cè)、焊接工藝選擇提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐!苯鸫簌i說,高鐵的車輪等大型高速運(yùn)動(dòng)工程部件將來也需要散裂中子源來驗(yàn)證其殘余應(yīng)力參數(shù)。

  作為粵港澳大灣區(qū)首個(gè)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施,中國(guó)散裂中子源的建成,為國(guó)內(nèi)科技工作者帶來了研究物質(zhì)的“利器”,特別是為港澳科學(xué)家提供了前所未有的便利。

  香港大學(xué)黃明欣教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超強(qiáng)超韌的“超級(jí)鋼”,就是通過中國(guó)散裂中子源,來分析其成分、結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了相關(guān)研究結(jié)果。

  3 為前沿科學(xué)研究和國(guó)家重大需求提供先進(jìn)研究平臺(tái)

  橙色、紫色、藍(lán)色、淺藍(lán)、淺綠……走進(jìn)靶站譜儀實(shí)驗(yàn)大廳,一臺(tái)臺(tái)顏色各異的譜儀,以靶站為中心,宛如七色花的花瓣一般向外伸展排列。

  中子產(chǎn)生后,經(jīng)過慢化,通過中子通道被引入譜儀。

  “中子在譜儀中和樣品材料的原子核相互作用,產(chǎn)生散射、衍射、透射!苯鸫簌i解釋說,中子就像派進(jìn)去探查信息的偵察兵,我們可以根據(jù)它進(jìn)去時(shí)的角度、能量,出來時(shí)的角度、能量等,經(jīng)過測(cè)量,反推回去,研究樣品的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)。

  探微格物,中國(guó)散裂中子源為材料科學(xué)技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、新能源等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供有力支撐。目前,中國(guó)散裂中子源已完成8輪開放運(yùn)行,全球注冊(cè)用戶超過3900人,完成課題800余項(xiàng)。

  伴隨著國(guó)家重大戰(zhàn)略部署的推進(jìn)、新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及國(guó)際前沿研究的需要,中國(guó)散裂中子源用戶數(shù)量快速增長(zhǎng),申請(qǐng)使用裝置的課題數(shù)快速增長(zhǎng)。

  中國(guó)散裂中子源面臨“升級(jí)”。其實(shí),一期工程設(shè)計(jì)已經(jīng)預(yù)留了升級(jí)改造空間。根據(jù)國(guó)家“十四五”規(guī)劃,中國(guó)散裂中子源的二期工程即將啟動(dòng)。

  “中國(guó)散裂中子源一共規(guī)劃有20條中子通道,能夠建設(shè)22臺(tái)中子譜儀。”金大鵬向記者介紹,目前共有5臺(tái)譜儀已投入運(yùn)行使用,其中包括一期工程國(guó)家投資建設(shè)的3臺(tái)譜儀,還有與高校、研究機(jī)構(gòu)合作建設(shè)的2臺(tái)用戶譜儀。另有6臺(tái)不同類型的合作譜儀正在建設(shè)、調(diào)試中,其中4臺(tái)預(yù)計(jì)今年年底將投入使用,滿足更多用戶的不同需求。

  不同的譜儀,有不同的用途。

  淺綠色的通用粉末衍射儀,主要用于研究物體的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu),現(xiàn)在也用于開展小部件的殘余應(yīng)力測(cè)試。

  剛投入使用不久的大氣中子輻照譜儀,已吸引國(guó)內(nèi)不少高科技企業(yè)將自家產(chǎn)品送來測(cè)試。研究人員使用高通量的中子加速電子元器件出現(xiàn)問題的進(jìn)程,從而推動(dòng)工藝迭代,確保電子元器件與系統(tǒng)性能高度可靠。

  即將在今年年底投入使用的工程材料應(yīng)力衍射儀,可以在不破壞樣品的情況下,對(duì)高鐵的車輪、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等設(shè)備的殘余應(yīng)力、金屬疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,一方面為改進(jìn)工藝提供參考,另一方面也可以評(píng)估出部件既能保證安全又能保證經(jīng)濟(jì)性的使用里程和時(shí)間。

  金大鵬介紹,目前投入使用的譜儀多為通用型譜儀。圍繞國(guó)家重大戰(zhàn)略部署、新興產(chǎn)業(yè)需求等,專門規(guī)劃了一批新的譜儀。正在建設(shè)中的譜儀,還有專門用來研究新能源電池的。

  二期工程建成后,中國(guó)散裂中子源的譜儀數(shù)量將增加到20臺(tái),覆蓋廣大用戶各方面研究領(lǐng)域。同時(shí),加速器打靶束流功率將從現(xiàn)在的140千瓦提高到500千瓦。這意味著,同等時(shí)間能產(chǎn)生更多中子,不僅能有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間,還能使實(shí)驗(yàn)分辨率更高。

  “新的譜儀和實(shí)驗(yàn)終端建成后,中國(guó)散裂中子源的設(shè)備研究能力將大幅提升,實(shí)驗(yàn)精度和速度將大大提高,能夠測(cè)量更小的樣品、研究更快的動(dòng)態(tài)過程,為前沿科學(xué)研究、國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更先進(jìn)的研究平臺(tái)!标愌觽フf。(中國(guó)紀(jì)檢監(jiān)察報(bào))

編輯:陳少婷