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加速!中国散裂中子源

来源:科技日报2023-12-06 10:16

  蓝天一碧如洗,云朵舒展飘过。汽车在广东东莞松山湖科学城穿行,转过一个弯后,眼前豁然开朗,远处山坡上,“中国散裂中子源”7个遒劲有力的大字在阳光下熠熠生辉。

  11月12日,科技日报记者走进中国散裂中子源的谱仪大厅时,这里正忙着一件大事——由中国科学院高能物理研究所与中山大学共建的高能非弹性中子散射谱仪揭牌。作为中国散裂中子源建设的8台合作谱仪之一,这也是国内首台中高能非弹性中子散射谱仪,填补了我国百兆电子伏以上中高能非弹性中子散射的空白。

  看着又一个“首台”诞生,在场的人们难掩喜悦。

  中国散裂中子源,为洞察微观世界、探究物质材料微观结构提供了新的“超级显微镜”,让中国科研人员的笑容更加自信。

  寻 光

  ——建自己的散裂中子源

  “当你走进一个昏暗的房间,首先要做什么?”

  走在中国散裂中子源的沙盘边,中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任张俊荣向记者发问。

  “开灯?”记者本能地答道。

  “对。在暗的环境中,必须要有一个光源照亮物质,才能看到房间里的所有布局、所有东西。”张俊荣说,散裂中子源也具有这样的强大功能,通过其发出的“光”,我们可以看到物质的微观结构,从而了解物质的组成。

  曾几何时,只有英国、美国和日本拥有这种看清物质结构的“超级显微镜”——脉冲式散裂中子源。这意味着,我国科学家如果要对一些领域开展研究,只能向国外申请使用设备。

  “由于设备有限,我们不仅要排很久的队,而且在诸多方面受制于人。”张俊荣说。

  说话间,记者来到了中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生的办公室。

  办公桌、茶几、沙发,都是最简单的摆设。一张散裂中子源工程图,贴在墙上最显眼的位置。

  “中国的科学技术,归根结底要靠中国人,在自己的土地上才能发展起来!”陈和生告诉记者,中国散裂中子源可为材料科学技术、物理学、化学化工、生命科学、新能源等基础研究和应用研究提供先进的科研平台,对解决国家重大战略需求和前沿科学诸多领域的瓶颈问题有着重要意义。

  追 光

  ——让中子“跑”起来

  在中国散裂中子源的加速器区域,只能看到一栋长方形建筑和一栋环形建筑,相关设备都埋藏于隧道内。

  中国散裂中子源的装置包括直线加速器、快循环同步加速器、靶站以及中子散射谱仪等。

  加速器建在13米到18米深的地下,其中直线加速器隧道长240米,快循环同步加速器周长228米,相当于半个足球场大小。

  “装置运行期间,隧道全部封闭,调控也是远程。”张俊荣介绍说。

  在肉眼看不到的地下,是微观粒子的广阔天地。

  一个离子源产生负氢离子,在直线加速器内加速到高速运行。此时的速度依然不够产生中子,需要进入快循环同步加速器继续加速。

  “在数百米长的环形隧道中,每一圈质子的速度都会增加。加速2万圈左右,质子的能量达到16亿电子伏特,速度达到光速的92%。”张俊荣说,别以为加速2万圈需要很长时间,实际上就是“嗖”的一下。

  如此高速高能的质子,顺着隧道来到了下一站——靶站。

  和埋藏在地下的加速器不同,靶站建在地面上,与中子散射谱仪同处一个宽阔的大厅。不过,为了确保安全,靶站和谱仪都用混凝土屏蔽体保护了起来。

  在大厅里,靶站位于中间位置,外表涂装成蓝色,非常显眼。靶站周围,延伸出来一条条谱仪,每一条谱仪都涂上不同的颜色,有不同的作用。

  在靶站里面,高速高能的质子轰击金属钨,就会释放出中子。这些中子通过一条条谱仪引出来,到达放置样品的实验站。

  “用中子打到样品之后,通过对中子和样品作用散射出来的一些中子进行分析,就能知道物质结构是怎样的。”张俊荣说。

  试想,面前有一张看不见的网,人们不断扔出玻璃弹珠。有的弹珠穿网而过,有的弹珠打在网上再弹向不同角度。如果弹珠发得足够多且强,就能通过弹珠的轨迹反向推测出网的形状。

  目前,中国散裂中子源运行已十分顺利。这背后,是10多年的筹备和6年半的建设——2018年中国散裂中子源正式投入运行,使我国成为世界上第4个拥有脉冲式散裂中子源的国家。

  发 光

  ——创造出一批源头创新成果

  谱仪大厅,是中国散裂中子源科研人员以及来自高校、研究院、企业等用户工作的地方。走在大厅内,记者看到这里正进行着多物理谱仪、通用粉末衍射谱仪等多台谱仪实验。

  在这里做实验,用户通常要先制备样品、安装样品。实验开始之后,中国散裂中子源的科研人员和用户在谱仪的控制室一起讨论数据结果、实验结果等。

  控制室的布置较为简单,墙上的液晶显示屏上,各种数据一目了然。

  张俊荣说,中国散裂中子源一年运行200多天,运行期间24小时开机,用户比较辛苦,需要随时在控制室更换样品、进行数据讨论等,把每分钟都充分利用起来。

  中国散裂中子源机时很珍贵,用途也很广泛。

  “比如,高铁车轮很大很重,很少有手段能穿透车轮看到其内部结构,但中子能提供独一无二的手段。”张俊荣说,中子可以直接穿透大型部件,无损地看到其内部缺陷或者结构变化,再通过结构演化研究,技术人员就可以提高装备的可靠性、稳定性。

  “在自家门口做实验,太方便了!”中国散裂中子源的投入使用,让香港大学教授黄明欣受益良多。过去,他需要先向国外散裂中子源申请机时,然后设计好实验步骤,把材料寄到国外,待实验做好之后再传回数据。

  利用中国散裂中子源的通用粉末衍射谱仪,黄明欣团队发现了强度高且韧性好的“超级钢”的微观原理,研究成果曾两度刊于《科学》。

  2018年投入运行以来,中国散裂中子源已累计完成10轮开放运行,一年开放机时超过5000小时,拥有约5000多个注册用户,总共完成课题1000余项,在航空航天、量子、能源、合金、高分子、信息材料等众多领域发光发亮,创造出一批源头创新硕果。

  采访即将结束时,散裂中子源科学中心主任王生告诉记者,二期工程建设即将启动,未来谱仪数量将增加到20台,加速器打靶和靶站功率将从100千瓦提升到500千瓦,大大提高实验精度和速度。届时,中国散裂中子源将测量更小的样品,研究更快的动态过程,满足更多用户的需求!(龙跃梅 张玮)

[ 责编:谢芸 ]
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