中國(guó)散裂中子源靶心全貌 中科院高能物理研究所供圖
8月底的一個(gè)上午，在廣東東莞國(guó)家大科學(xué)工程——中國(guó)散裂中子源靶站譜儀控制室中，工程總指揮兼工程經(jīng)理陳和生發(fā)出指令，從加速器引出的質(zhì)子束流首次打向金屬鎢靶。
一眨眼的功夫不到，科研人員便從6號(hào)和20號(hào)中子束線測(cè)量到兩個(gè)慢化器輸出的中子能譜，散裂中子源順利獲得中子束流。至此，中國(guó)首個(gè)散裂中子源主體工程宣告完工。
給微觀結(jié)構(gòu)“拍個(gè)片”
X射線能“拍攝”人體的醫(yī)學(xué)影像，而在材料學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，科學(xué)家也希望尋找到一種高通量的“中子源”，能夠像給人體拍片的X射線一般“拍攝”到材料的微觀結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家尋找到了散裂中子源。
當(dāng)中子入射到樣品上時(shí)，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射反應(yīng)。通過(guò)測(cè)量散射的中子能量和動(dòng)量的變化，可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，告訴人們?cè)雍头肿拥奈恢眉捌溥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就是中子散射技術(shù)的基本原理。
“散裂中子源是通過(guò)非常強(qiáng)、非常短的脈沖去打水冷的鎢靶，進(jìn)而產(chǎn)生散裂過(guò)程?！标惡蜕榻B，質(zhì)子打靶后，每個(gè)質(zhì)子都會(huì)產(chǎn)生多個(gè)散裂的中子，這是得到強(qiáng)而短的中子脈沖的最佳辦法。
得到中子脈沖后，科研人員可以通過(guò)在靶站周圍建造的譜儀，測(cè)量中子脈沖打在樣品上產(chǎn)生的訊號(hào)，從而獲得樣品物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。
科研人員對(duì)散裂中子源作用原理作了一個(gè)形象的比喻。假設(shè)面前有一張看不見(jiàn)的網(wǎng)，科研人員不斷扔出玻璃彈珠，彈珠或穿網(wǎng)而過(guò)，或打在網(wǎng)上彈向不同角度。通過(guò)記錄彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡，科研人員便能大致推測(cè)網(wǎng)的形狀。而如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強(qiáng)，這張網(wǎng)就可以被精確描繪，甚至材質(zhì)也能清晰判斷。
不帶電，具有磁矩，穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的重要探針，也為中子散射獲得了 “超級(jí)顯微鏡”的美譽(yù)。
應(yīng)“需”而生
陳和生表示，英國(guó)對(duì)A380飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行原位測(cè)量?jī)?yōu)化焊接和鉚接工藝、美國(guó)對(duì)汽車尾氣的有效催化排放研究、法國(guó)對(duì)地下水腐蝕核廢料存儲(chǔ)影響，都利用到了散裂中子源這種大科學(xué)裝置。
散裂中子源的應(yīng)用價(jià)值不容小覷，然而在探究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究中，合肥國(guó)家同步光源、上海光源等大科學(xué)裝置均已落地。那么，散裂中子源與同步輻射光源的差別又在哪元？
在科學(xué)家看來(lái)，這兩種科學(xué)裝置在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中可謂科研人員的“左膀”與“右臂”。
“同步輻射X光作用的強(qiáng)度會(huì)隨著原子序數(shù)的增加而增加，對(duì)于碳?xì)溲醯容p元素的探測(cè)效果沒(méi)那么好，而中子作用強(qiáng)度不會(huì)隨原子序數(shù)增加而增加，比較適合做輕元素的研究?！敝袊?guó)散裂中子源工程實(shí)驗(yàn)分總體副主任梁天驕介紹說(shuō)。
許多物質(zhì)結(jié)構(gòu)中輕元素與重元素同時(shí)存在，科研人員會(huì)選擇用同步輻射確定重元素位置，而用散裂中子源確定輕元素位置。
不過(guò)，隨著科技進(jìn)步，如薄膜、納米團(tuán)簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等研究體系尺度分布越來(lái)越大，獲得數(shù)量在克量級(jí)的樣品量也更加困難，需要通量更高、波段更寬地進(jìn)行小樣品的快速、高分辨中子散射測(cè)量。可以說(shuō)，是科研需求催生了我國(guó)散裂中子源大科學(xué)裝置。
開(kāi)枝散葉的大科學(xué)裝置
“一般的調(diào)試都要半年，我們用了兩周的時(shí)間就出束成功?！敝锌圃焊吣芪锢硭鶘|莞分部副主任王生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。對(duì)于中國(guó)散裂中子源的科研人員而言，此次獲得中子束的調(diào)試可謂相當(dāng)順利。更令科研人員感到自豪的是，散裂中子源設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到96%以上，是一個(gè)地道國(guó)產(chǎn)化的大科學(xué)裝置。
“我們希望利用大科學(xué)裝置，引領(lǐng)科研人員和企業(yè)推動(dòng)相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展?！敝袊?guó)散裂中子源工程副經(jīng)理陳元柏說(shuō)。
例如，散裂中子源中快循環(huán)同步加速器中的25赫茲交流磁鐵，在我國(guó)屬首次研制，鐵芯和線圈的振動(dòng)開(kāi)裂、渦流發(fā)熱等新問(wèn)題一度令科研人員一籌莫展。經(jīng)過(guò)科技人員與工廠技師6年的聯(lián)合攻關(guān)，研制出了合格的磁鐵，還創(chuàng)新性地給出了諧振電源的諧波補(bǔ)償方法，解決了多臺(tái)磁鐵之間的磁場(chǎng)同步問(wèn)題。
散裂中子源建設(shè)借助技術(shù)突破，既推動(dòng)了相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，也對(duì)珠三角地區(qū)形成了強(qiáng)大的科技輻射。
陳和生告訴記者，下一步用戶譜儀的建設(shè)，已有東莞理工學(xué)院牽頭擬建的多物理譜儀、東莞材料基因高等研究院擬建的材料譜儀、南方科技大學(xué)準(zhǔn)備籌建的高壓譜儀、工信部五所擬建的大氣中子譜儀正在規(guī)劃，此外，香港城市大學(xué)、香港科技大學(xué)與澳門科技大學(xué)等也都對(duì)散裂中子源表示了濃厚的興趣。
展望未來(lái)二期工程，當(dāng)散裂中子源的20臺(tái)譜儀全部建成，束流功率從100千瓦升級(jí)到500千瓦時(shí)，散裂中子源將在中國(guó)乃至世界的相關(guān)研究中釋放更大能量。
?。ㄔd于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2017-09-04 第1版 要聞)
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