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散裂中子源:探索微观世界的“火眼金睛”

2021-12-21 09:19     来源:学习时报     中国散裂中子源大科学装置同步辐射光源

陈和生,中国科学院院士,现任国家重大科技基础设施散裂中子源工程指挥部总指挥、北京正负电子对撞机国家实验室主任、中国科学院高能物理研究所研究员。他长期从事粒子物理实验研究,主持了重大科技基础设施北京正负电子对撞机重大改造工程。陈和生曾荣获国家科技进步一等奖、二等奖,第一届全国创新争先奖,中国科学院杰出科技成就奖等。

散裂中子源究竟是什么?简单来说,散裂中子源就是一种“超级显微镜”,其散射的中子如同“探针”,可以清晰检测物质的内部结构,因此被认为是当今人类深度探索微观世界的有力工具。它广泛应用于新材料研发、关键零部件的性能检测、癌症治疗等热门领域,为材料科学、生命科学、环境科学等基础研究,提供了先进的现代技术平台,对解决前沿科学问题具有重大意义,是当之无愧的“国之重器”。

看透物质结构的“火眼金睛”——中子

如何去研究微观结构呢?我们在中学时可以用显微镜来看花粉、看细胞等等。如果还想看更精细的结构,可以用电子显微镜。而要想看到分子结构,就需要用散裂中子源,或者是同步辐射光源,我们把它叫作超级显微镜。什么是同步辐射呢?同步辐射实际上就是非常强的X光,大家在医院做检查用的就是X光,但是同步辐射比它要强百亿倍。用一般的方法是得不到这么强的X光的,所以就要利用大型的加速器,电子的束流在磁场拐弯的时候,会产生非常强的X光,我们把它叫作同步辐射。利用专门的加速器来产生很强的同步辐射,这样就能够研究物质的结构,比如说上海同步辐射光源、北京同步辐射装置、合肥同步辐射装置。

散裂中子源产生中子,它打在样品上,样品跟它相互作用以后,它的方向和动量都改变了,用探测仪器把这个样品包起来,看看入射进来的中子经过样品之后的变化,反过来就可以用数学方法反推出它的结构。

中子从哪儿来?自由的中子在正常的状态之下,寿命很短,自然界中自由的中子寿命大概就是20分钟左右,没有办法对它利用。绝大部分的中子都是在原子核里,质子、中子组成原子核,要得到自由的中子,需要从专门的大科学装置来产生。这种装置有两类:一类是反应堆,反应堆的中子源是利用铀235裂变的时候产生中子,它的问题是产生中子的时候,附带产生很高的热量,这样就会产生一些危险。比如2011年,日本福岛核电站发生的事故。在世界上,现在能够找到修反应堆的地方,越来越困难,从环保的角度,这样类型的反应堆逐渐地淡出了。第二种产生中子的实验设施就是散裂中子源,它是用高能的质子去打靶,产生中子,这样就没有反应堆那样很高的反应热的问题,只要关掉电源,它就停止运行,不会有任何安全问题。所以现在发展的趋势,就是逐步地用散裂中子源来代替反应堆,从事中子散射的研究。

散裂中子源造价高、技术复杂,中子探测起来也非常困难,实验的难度非常高,所以在我们中国的散裂中子源建成之前,全世界只有3台,英国的卢瑟福实验室、美国的橡树岭实验室和日本的原子能机构。经过大约20年的谋划和建设,2018年8月,中国自己的散裂中子源终于在广东东莞“横空出世”,正式投入运行。由此,我国成为世界上第4个拥有这一科技“重器”的国家。

中国散裂中子源“初露锋芒”

近年来,我国建成的上海光源、散裂中子源等大科学装置,在提高自主创新能力方面发挥了重要作用,大大缩小了与发达国家的差距。与此同时,围绕这些大科学装置建成的科学与技术中心,也具有特殊的辐射、示范、引领作用,逐渐构筑起了重要的创新“高地”。但是,打造大科学装置与制造一般的科研仪器设施不同,需要在建设中研制大量的非标准设备,而且规模大、建设周期长、投资巨大,需要汇集大批科学家和工程师,因此,会遇到工程建设与科学研究的双重挑战。

散裂中子源由三大部分构成,包括加速器、重金属的靶、谱仪,所谓谱仪就是实验终端。中国散裂中子源,它的加速器包括两部分,一部分是8000万电子伏特的质子直线加速器,注入到快循环同步加速器,跑两万多圈,把它加速到16亿电子伏特,能量提高20倍。然后就去打靶,是一个钨靶,用水冷的钨靶,效率非常高,能够产生非常强又非常短的中子。我们在靶站的周围,建设很多谱仪,把样品放在谱仪的中间,用探测器把它包起来,这样就能够知道,中子打上去以后,发生了什么情况。这个样品就像一张渔网,我们往渔网上扔好多玻璃球,有的球就穿过渔网的间隙走了,有的碰到渔网的结点,它改变了方向。把所有的这些玻璃球的信息都测量出来,经过数学方法,就可以反推出来这张网的结构,这就是中子散射的研究方法。

2017年8月28日,我们首次打靶成功,获得了中子束流,而且中子的能谱,完全符合理论的计算,一次打靶成功,调试的进度,远远超过国际上其他散裂中子源。特别可喜的是,我们设备的国产化率超过了90%,美国、日本的散裂中子源,都花费十几亿美元,我们只用了18亿元人民币。2018年8月通过了国家验收,被给予非常高的评价:装置的整体设计科学合理,靶站的最高中子效率和三个谱仪性能达到国际先进水平,显著地提升了我国在这个领域当中的技术水平和创新能力,使得我们国家在强流质子加速器和中子散射领域实现重大跨越,技术和综合性能进入国际同类装置的先进行列。

“国之重器”前途无量

作为一个用户装置,要求稳定高效运行。从2017年以来,我们的打靶功率是节节提升,成功地达到了设计功率100千瓦的指标,始终做到稳定运行。目前注册的用户超过了2000人,其中来自粤港澳大湾区的有四分之一,还包括港澳用户55人,国外用户42人,完成了课题400多项,其中企业课题达到13%以上。在前沿科学研究和国家发展的一些关键领域,我们已经发表了文章65篇。

新型的能源材料是我们工作的重点。因为新能源的材料,比如储氢材料、锂电池材料,还有燃料电池的核心就是氢、锂和氧,而这三种元素都对中子研究非常有利,又很关键。比如锂电池的研究,只有用中子才能够搞清楚锂电池的锂在什么地方,它怎么运动,我们过去这两年多的工作,锂电池的研究是一个重点,获得了很多成果。

散裂中子源研究所产生出来的新技术,还有一项是硼中子靶向治癌。硼中子靶向治癌,是一种新的精准治疗癌症的二维技术,它是利用中国散裂中子源发展起来的技术所研制的。这种治疗方法,相信会开辟癌症放射治疗一个新的篇章。它最大的优点,就是能够治疗那些弥散的,甚至扩散的癌。我们正在进行动物实验,一年以后将要开展临床试验,完成了临床试验以后,就可以进行临床治疗。这种技术需要的靶向药物,也是目前研究的热点,希望国内做药、研究硼化学的相关人士一起努力,找到效果更好的靶向药物,为人民健康服务。

中国散裂中子源现在还不能满足国内的需求,因为国内的用户增长非常迅速。2018年全世界发表的关于中子散射的文章,13%以上都有中国单位署名。现在我们的束流时间供不应求,2021年春天申请用户的数目是2020年春天的两倍,所以国家发展改革委已经批准了在“十四五”期间,进行散裂中子源的二期工程。二期工程将增建11台谱仪,这样就覆盖了用户的各个领域,同时把束流的功率,从现在的100千瓦提高到500千瓦,总投资30亿元。

由于大科学装置的社会影响和辐射效应,现在国内兴建大科学装置的热情迅速提高,但是盲目上马、低水平重复,会带来很多问题。我们国家现在大科学装置的数量和种类,和发达国家已经比较相近了,但是我们装置的实验终端,它的数量和水平、研究工作的水平、科学产出,和发达国家相比差距比较大。我们最紧迫的不是说各个省市动员大家都去上同步辐射、上散裂中子源,而是集中力量办大事,集中我们有限的财力物力、集中我们有限的队伍,把我们的大科学装置建好,真正让它达到国际先进水平。必须继续坚持国家统一规划和部署重大科技基础设施的原则,坚持以国家科学技术发展战略需求和用户需求为导向,这是保证我们国家大科学装置持续发展、健康发展的关键。

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