“超級(jí)顯微鏡”帶你探微格物
探訪中國散裂中子源
本報(bào)記者 初英杰
裝置簡(jiǎn)介：
中國散裂中子源(CSNS)是我國首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖式散裂中子源，是國際前沿基礎(chǔ)研究和國家發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)域多學(xué)科交叉研究的大型平臺(tái)。中國散裂中子源的成功建設(shè)，填補(bǔ)了國內(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)入國際同類裝置先進(jìn)行列，顯著提升了我國在相關(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”。
中國散裂中子源(CSNS)，我國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，使我國成為繼英國、美國、日本之后，世界上第四個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國家。
前不久，中國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“國之重器”？
中國科學(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)到國際先進(jìn)水平，核心設(shè)備國產(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。”中科院高能所東莞研究部副主任、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)于中國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略的研究。此后，中國散裂中子源被列入國家“十一五”大科學(xué)裝置建設(shè)計(jì)劃。2006年，中國散裂中子源選址廣東東莞。
2011年，中國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。
中國散裂中子源各項(xiàng)設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國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)到國際先進(jìn)水平，核心設(shè)備國產(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。這為我國醫(yī)用BNCT裝置整機(jī)國產(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。
中國散裂中子源正式運(yùn)行并向國內(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、生物大分子等國際前沿科技研究中，也取得一大批成果�！标愌觽フf。
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，中國散裂中子源的建成，為國內(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)展以及國際前沿研究的需要，中國散裂中子源用戶數(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)國家“十四五”規(guī)劃，中國散裂中子源的二期工程即將啟動(dòng)。
“中國散裂中子源一共規(guī)劃有20條中子通道，能夠建設(shè)22臺(tái)中子譜儀�！苯鸫簌i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、國家重大需求和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更先進(jìn)的研究平臺(tái)�！标愌觽フf。(中國紀(jì)檢監(jiān)察報(bào))
