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这台集合各种高、精、尖设备的“超级显微镜”不一般

散裂中子源 超级显微镜 同步加速器
发布:2021-04-13 17:10:55     来源:中科院之声

无人机拍摄的中国散裂中子源外景。新华社发

中子虽小,但产生强中子束的散裂中子源却很庞大,是集合了各种高、精、尖设备组成的大科学装置。

中国散裂中子源(CSNS)坐落于广东省东莞市松山湖畔。中国散裂中子源隧道内装置建在13米到18米深的地下,主要包括一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站、3台中子谱仪等。2011年9月开工建设,2018年8月,这一国之重器通过国家验收,成为世界上第四个脉冲散裂中子源装置。

“中国散裂中子源90%以上的装置设备,由我国自主研发并实现了国产化。” 中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生语气中带着自豪。他说,通过建造中国散裂中子源,显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域的产业技术水平。

探测物质微观结构的重要“探针”

“散裂中子源就像一台‘超级显微镜’,它是探测物质微观结构的重要手段。”陈和生说。

科学家介绍,物质的结构决定了物质的性质。同样由碳元素构成,金刚石坚硬,石墨润滑,就缘于它们的不同结构。为看清物质的微观结构,科学家设计了很多方法,利用中子散射探测是其中之一。

中子散射为何能看清微观世界?原子由原子核和带负电的电子构成,其中原子核又包括带正电的质子和不带电的中子。相比其他探测方式,中子能轻松地穿透物质。

中子束打到被研究的样品上,虽然大多数不会受到任何阻碍,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,从而改变运动方向。通过分析中子散射的轨迹、中子和物质发生作用时能量和动量的变化,科学家就能反推物质的结构。

陈和生打了个比方:我们不断往一张看不见的网上扔弹珠,有的弹珠穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果记录下这些弹珠的运动轨迹,就能大致推测出网的形状;如果弹珠扔得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。

散裂中子源就能发出“弹珠”。它的原理是,先把质子加速到一定的能量,再把质子束当成“子弹”,去轰击原子序数很高的重金属靶,靶的原子核被撞击出大量中子。科学家通过特殊装置“收集”中子,然后用中子做探针,便可以开展各种实验了。

中国科学院高能物理研究所东莞研究部副主任梁天骄介绍,除中子散射外,观察微观世界还有同步辐射和电子显微镜等方式。其中,中子散射用的是中子,同步辐射借助的是X射线,电子显微镜则依靠电子。

“散裂中子源有其他方式无法替代的作用,它与同步辐射光源互为补充。”梁天骄解释,比如,同步辐射X射线是与原子核外的电子相互作用,对含有电子数目较多的原子敏感,但探测如氢原子等轻元素就比较困难。而中子散射与原子核相互作用的散射强度,不受原子序数影响,它不仅能够区分同位素和相邻元素,还可以区分氢、锂、碳等轻元素,因此在研究含有氢、锂等轻元素的能源材料、软物质与生物材料等方面中子散射有优势。

破解新材料、生命科学、化学化工等领域难题

1998年6月,德国一列高铁意外出轨。是车轮、轴承还是铁轨出了故障?分析事故原因时,科学家陷入争论。有人提出,用电子显微镜观察这些部件,但这需要用激光刀把金属部件切成小于1微米的薄片,几乎无法操作。

借助中子散射技术,科学家找到事故的元凶——失事的车辆车轮内部的金属疲劳。陈和生告诉记者,高铁的车轮、飞机的涡轮叶片里的应力变化看不到、摸不着,但超过一定值,就存在隐患。如今,在散裂中子源上测量研究车轮和叶片的残余应力,可以优化机械加工工艺,帮助高铁和飞机变得更安全、更舒适。

研究大型工程部件残余应力和金属疲劳,只是中子散射诸多应用中的一种。在生物医药领域,中子散射能够帮助科学家看清蛋白质的内部结构;在可燃冰的开发利用中,散裂中子源可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,为安全、高效地开采和利用提供科学依据。

中子散射能用于文物研究。想了解一尊佛像的制造工艺,但无法把它大卸八块,怎么办?利用中子成像技术,能清晰看到佛像的中间有一根木制“主梁”。这是因为中子散射对轻的元素非常敏感,中间的棍子是木头做的,也就是碳氢化合物,中子可以轻易地“看到”它。因此可推测出古代工匠在造佛像时,先在中间立一根木梁,然后在木梁周围缠上支撑架,最终用黏土制成。

“中子散射还是研究锂电池的利器。”梁天骄告诉记者,将工业电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分材料结构、性能的变化,能够为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。

回顾中国散裂中子源的建造历程,陈和生说:“散裂中子源建起来复杂,实验难度大,但国民经济许多关键领域的研究离不开它。20多年前,我们就向国家提出了要建造自己的散裂中子源,这件事困难再大也要做。”

突破关键核心技术,往往离不开对前沿科学问题的探索。陈和生认为,在新材料、生命科学、化学化工等领域,中国散裂中子源有望助力我国解决“瓶颈”难题。

成为粤港澳大湾区的创新策源地

科学家告诉记者,中国散裂中子源投入运行以来,为多学科交叉前沿研究和高技术创新提供了先进的平台,获得了大批重要成果,成为粤港澳大湾区科技创新的重大科技基础设施。

去年5月,香港大学教授黄明欣团队关于高强度钢的研究在《科学》杂志发表。正是利用中国散裂中子源,该团队得到了这种高强度钢独特性质的重要微观结构信息。

中国散裂中子源建成不久后,陈和生曾预言,松山湖畔将会成为科技创新的沃土。目前,中国散裂中子源就像一块磁铁,正吸引着科研人员慕名而来。

“建起来了,我们还要用好。”中国科学院高能物理研究所副所长、东莞研究部主任陈延伟介绍,中国散裂中子源正式运行以来,积极推进装置的开放共享,逐渐成为粤港澳大湾区的创新策源地。

记者了解到,截至目前,中国散裂中子源已完成四轮运行,注册用户超2000人,支撑了400多项研究课题,来自粤港澳大湾区的约占1/4,其中来自中国香港、中国澳门的用户大概一共占总用户的10%。

“今年上半年申请的机时翻了一倍,科学界、产业界对中国散裂中子源的需求很旺盛。”陈延伟告诉记者。

中国散裂中子源是服务基础研究的工具,也是发展高技术产业的支撑。谈起选址东莞的初衷,陈延伟告诉记者,珠三角地区产业基础好,但过去缺少有分量的大科学装置,在各方努力下,最终在这里选址。

陈延伟接着说,绝大多数企业不可能自己建设单独的大科学装置,有了中国散裂中子源这个平台,企业就能够做一些前沿的研究,为产业升级、迈向高端打基础。

中国散裂中子源仍在成长中。陈延伟说,中国散裂中子源设计了20个谱仪孔道,目前一期仅建设了3台谱仪。同时,散裂中子源的建设涉及大量高技术,中国散裂中子源要加强与国内外科学家交流,推动相关应用和研究走向深入,力争为国家科技发展做出更大贡献。

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