开启新一轮微观世界探秘之旅



开启新一轮微观世界探秘之旅


位于广东省东莞市大朗镇的中国散裂中子源。新华社记者刘大伟摄

经过两个多月的暑期检修,坐落在广东省东莞市的中国散裂中子源26日开始新一轮开放运行。在接下来的四个月里,科研人员要将这台巨型“超级显微镜”的束流功率稳步提升到80千瓦,并用它来探测更多神奇材料的微观结构。

据中国科学院高能物理研究所东莞分部中子科学部副主任张俊荣介绍,新一轮开放吸引的常规课题申请数量达164项,比上一轮大幅增长,57项获批开展实验,其中1项来自国外,5项来自香港和澳门。“实验对象主要涉及磁性材料、量子材料、锂电池材料、页岩、催化材料、高强钢、高性能合金等。”

中国散裂中子源由中国科学院高能物理研究所承建,共建单位为中国科学院物理研究所,于2011年9月开工建设,总投资约23亿元,2018年8月通过国家验收,投入正式运行。它包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站,一期三台中子谱仪以及附属设施。

探究材料的理想“探针”

人类探求微观世界的过程,就是一部显微镜“升级史”。光学显微镜的诞生,使人类第一次看到了细胞和细菌的世界;而电子显微镜比光学显微镜的分辨率还要高1000倍左右,可以帮助科学家研究更小的病毒。随着粒子物理的兴起,人类对物质的研究已经深入到原子内部,“超级显微镜”散裂中子源便应运而生。

中国散裂中子源的快循环同步加速器。新华社记者刘大伟摄

中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他粒子更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品上,大多数会不受任何阻碍而直接穿过,但有些中子会与样品的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周“散射”。科学家通过测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出被测样品的结构。

中科院高能所东莞分部副主任金大鹏举例说,在能源材料领域,氢动力汽车比以汽油为燃料的汽车更加节能环保,科学家希望以密度更高的固体形式存储氢,但是给氢气加压又容易引发爆炸,于是,科学家就尝试用一种金属—有机框架(MOF)材料,它可以把氢气吸进去,用的时候再把氢气释放出来。中子散射可以帮助科学家研究氢气在这种材料的什么位置、以及什么情况下更好地储存和释放出来。

正是利用了中子在探测物质材料方面的优势,中国散裂中子源首批建设的三台供科学实验用的中子谱仪,已经取得了丰硕的研究成果。

“从去年9月至今年6月,中国散裂中子源先后进行两轮开放运行,用户申请十分踊跃,机时供不应求,共完成用户课题101个,其中来自香港地区以及国外的用户课题11个。”张俊荣说。

香港大学用户正在进行实验。中国科学院高能物理研究所东莞分部供图

今年上半年,从事材料研究的香港大学黄明欣副教授就利用中国散裂中子源做了一项有关高强度钢结构性能的实验。高强钢作为汽车行业的热门材料,既要轻又要结实安全。黄明欣对其团队研发的超级配分钢进行了细致测试,发现了新的位错机理,为设计更高屈服强度和延展率的钢材料提供了重要参考。

黄明欣不仅对实验结果十分满意,而且对散裂中子源近在咫尺带来的便捷感触颇深。此前,他曾向日本散裂中子源申请机时,要先设计好实验步骤,然后把材料寄到日本,对方做完实验后再把数据回传给他。现在,从香港出发,一个半小时车程就能到达位于东莞大朗镇的中国散裂中子源,“就像在自家门口”。

“接下来,我们希望用三到四年时间,再规划建设5到7台用户谱仪,包括工程材料衍射仪、大气中子辐照谱仪、全散射多物理谱仪等。”金大鹏说。

不可思议的调试难度和速度

中国散裂中子源是继英、美、日之后,世界第四台脉冲散裂中子源。虽然建成较晚,但中国科研人员对实验设备的高效率调试却令国外同行啧啧惊叹。

功率是衡量散裂中子源性能优劣的一个重要指标。验收时,中国散裂中子源的功率达到20千瓦,预期三年内达到设计功率100千瓦。

工程师在中国散裂中子源检查直线加速器工作情况。新华社记者刘大伟摄

在正常状态下,中子被紧紧束缚在原子核内,自然界中尽管存在自由中子,但寿命很短且不易收集,散裂中子源正是一座巨大的“中子工厂”。“功率越高,产生的中子就越多,样品散射的中子信号就越强,实验速度就会更快,实验获得的数据质量也会更好。”金大鹏说。

但是,整个中子源的运行功率只能逐步提升。金大鹏解释说:“我们是十千瓦、十千瓦, 甚至五千瓦、五千瓦地往上提升,因为要看在更高的功率负荷下所有部件的运行是否和设计一致,要观察加速器、靶站、谱仪能不能很好地工作。”

中国散裂中子源物理组负责加速器的总体设计,下面对应着十几个硬件系统,涉及几千套设备。过去一年里,他们在每一个功率水平上都对这些设备的参数进行了反复调试,以求找到最优的组合。

据中国散裂中子源物理组科研人员许守彦介绍,他们要把束流时间误差控制在纳秒级别,一纳秒相当于十亿分之一秒,这就要求他们的调试比测量仪器还精确。“但参数组合实在太多了,任何一个小问题都可能是成百上千套设备的误差混合在一起产生的。”

中国散裂中子源运行管理人员在检修快循环同步加速器。新华社记者刘大伟摄

英国和日本的散裂中子源加速器都经历十年调试才达到设计指标。“最开始调试时,我们发现环形加速器上有两个设备不同步,差了100微秒,也就是0.1毫秒。根据国际同行的经验,就算花上一个月去找问题根源,也很正常。幸运的是,我们当天就找到了引发误差的原因。”许守彦说。

“因为别人走过的弯路我们没有走,还有就是中国人干活更拼一些。”许守彦笑着解释说,“加班加点是常事,我曾经连续工作过三十六七个小时不休息,当时一点都不困。以前只能在电脑上模拟演算,当真正看到设备运行每一步都达到了预期,真的非常兴奋,迫不及待想要进行下一步测试。”

科学家们最终希望将中国散裂中子源的功率从100千瓦提高到500千瓦。为此,他们在初始设计阶段就预留了进一步改造和提升的空间。目前,科研人员已经着手进行加速器二期升级的设计。

“我们学物理,最大的乐趣就是能够不断探索、不断接近事物的本质原理,散裂中子源是帮助我们实现这一梦想的平台。”许守彦说。

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