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【新華網】中國“超級顯微鏡”開啟新一輪微觀世界探秘之旅
2019-09-30|文章來源:新華網 全曉書 王攀 荊淮僑 劉藝煒 |【
 

位于廣東省東莞市大朗鎮的中國散裂中子源。新華社記者劉大偉攝

中國散裂中子源的快循環同步加速器。新華社記者劉大偉攝

香港大學用戶正在進行實驗。中國科學院高能物理研究所東莞分部供圖

工程師在中國散裂中子源檢查直線加速器工作情況。新華社記者劉大偉攝

中國散裂中子源運行管理人員在檢修快循環同步加速器。新華社記者劉大偉攝

 

  經過兩個多月的暑期檢修,坐落在廣東省東莞市的中國散裂中子源26日開始新一輪開放運行。在接下來的四個月里,科研人員要將這臺巨型“超級顯微鏡”的束流功率穩步提升到80千瓦,并用它來探測更多神奇材料的微觀結構。

  據中國科學院高能物理研究所東莞分部中子科學部副主任張俊榮介紹,新一輪開放吸引的常規課題申請數量達164項,比上一輪大幅增長,57項獲批開展實驗,其中1項來自國外,5項來自香港和澳門。“實驗對象主要涉及磁性材料、量子材料、鋰電池材料、頁巖、催化材料、高強鋼、高性能合金等。”

  中國散裂中子源由中國科學院高能物理研究所承建,共建單位為中國科學院物理研究所,于2011年9月開工建設,總投資約23億元,2018年8月通過國家驗收,投入正式運行。它包括一臺直線加速器、一臺快循環同步加速器、一個靶站,一期三臺中子譜儀以及附屬設施。

  探究材料的理想“探針”

  人類探求微觀世界的過程,就是一部顯微鏡“升級史”。光學顯微鏡的誕生,使人類第一次看到了細胞和細菌的世界;而電子顯微鏡比光學顯微鏡的分辨率還要高1000倍左右,可以幫助科學家研究更小的病毒。隨著粒子物理的興起,人類對物質的研究已經深入到原子內部,“超級顯微鏡”散裂中子源便應運而生。

  中子由于不帶電,不易受到帶電質子和電子的阻礙,能比其他粒子更為輕松地穿透物質。中子束打到被研究的樣品上,大多數會不受任何阻礙而直接穿過,但有些中子會與樣品的原子核發生相互作用,其運動方向也會發生改變,向四周“散射”。科學家通過測量中子散射的軌跡及其能量和動量的變化,就可以精確地反推出被測樣品的結構。

  中科院高能所東莞分部副主任金大鵬舉例說,在能源材料領域,氫動力汽車比以汽油為燃料的汽車更加節能環保,科學家希望以密度更高的固體形式存儲氫,但是給氫氣加壓又容易引發爆炸,于是,科學家就嘗試用一種金屬—有機框架(MOF)材料,它可以把氫氣吸進去,用的時候再把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學家研究氫氣在這種材料的什么位置、以及什么情況下更好地儲存和釋放出來。

  正是利用了中子在探測物質材料方面的優勢,中國散裂中子源首批建設的三臺供科學實驗用的中子譜儀,已經取得了豐碩的研究成果。

  “從去年9月至今年6月,中國散裂中子源先后進行兩輪開放運行,用戶申請十分踴躍,機時供不應求,共完成用戶課題101個,其中來自香港地區以及國外的用戶課題11個。”張俊榮說。

  今年上半年,從事材料研究的香港大學黃明欣副教授就利用中國散裂中子源做了一項有關高強度鋼結構性能的實驗。高強鋼作為汽車行業的熱門材料,既要輕又要結實安全。黃明欣對其團隊研發的超級配分鋼進行了細致測試,發現了新的位錯機理,為設計更高屈服強度和延展率的鋼材料提供了重要參考。

  黃明欣不僅對實驗結果十分滿意,而且對散裂中子源近在咫尺帶來的便捷感觸頗深。此前,他曾向日本散裂中子源申請機時,要先設計好實驗步驟,然后把材料寄到日本,對方做完實驗后再把數據回傳給他。現在,從香港出發,一個半小時車程就能到達位于東莞大朗鎮的中國散裂中子源,“就像在自家門口”。

  “接下來,我們希望用三到四年時間,再規劃建設5到7臺用戶譜儀,包括工程材料衍射儀、大氣中子輻照譜儀、全散射多物理譜儀等。”金大鵬說。

  不可思議的調試難度和速度

  中國散裂中子源是繼英、美、日之后,世界第四臺脈沖散裂中子源。雖然建成較晚,但中國科研人員對實驗設備的高效率調試卻令國外同行嘖嘖驚嘆。

  功率是衡量散裂中子源性能優劣的一個重要指標。驗收時,中國散裂中子源的功率達到20千瓦,預期三年內達到設計功率100千瓦。

  在正常狀態下,中子被緊緊束縛在原子核內,自然界中盡管存在自由中子,但壽命很短且不易收集,散裂中子源正是一座巨大的“中子工廠”。“功率越高,產生的中子就越多,樣品散射的中子信號就越強,實驗速度就會更快,實驗獲得的數據質量也會更好。”金大鵬說。

  但是,整個中子源的運行功率只能逐步提升。金大鵬解釋說:“我們是十千瓦、十千瓦, 甚至五千瓦、五千瓦地往上提升,因為要看在更高的功率負荷下所有部件的運行是否和設計一致,要觀察加速器、靶站、譜儀能不能很好地工作。”

  中國散裂中子源物理組負責加速器的總體設計,下面對應著十幾個硬件系統,涉及幾千套設備。過去一年里,他們在每一個功率水平上都對這些設備的參數進行了反復調試,以求找到最優的組合。

  據中國散裂中子源物理組科研人員許守彥介紹,他們要把束流時間誤差控制在納秒級別,一納秒相當于十億分之一秒,這就要求他們的調試比測量儀器還精確。“但參數組合實在太多了,任何一個小問題都可能是成百上千套設備的誤差混合在一起產生的。”

  英國和日本的散裂中子源加速器都經歷十年調試才達到設計指標。“最開始調試時,我們發現環形加速器上有兩個設備不同步,差了100微秒,也就是0.1毫秒。根據國際同行的經驗,就算花上一個月去找問題根源,也很正常。幸運的是,我們當天就找到了引發誤差的原因。”許守彥說。

  “因為別人走過的彎路我們沒有走,還有就是中國人干活更拼一些。”許守彥笑著解釋說,“加班加點是常事,我曾經連續工作過三十六七個小時不休息,當時一點都不困。以前只能在電腦上模擬演算,當真正看到設備運行每一步都達到了預期,真的非常興奮,迫不及待想要進行下一步測試。”

  科學家們最終希望將中國散裂中子源的功率從100千瓦提高到500千瓦。為此,他們在初始設計階段就預留了進一步改造和提升的空間。目前,科研人員已經著手進行加速器二期升級的設計。

  “我們學物理,最大的樂趣就是能夠不斷探索、不斷接近事物的本質原理,散裂中子源是幫助我們實現這一夢想的平臺。”許守彥說。


 
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