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加速!中國散裂中子源

發(fā)布時間:2023-12-06 14:57:00來源: 科技日報

  【走近大國重器】

  ◎本報記者 龍躍梅

  通 訊 員 張 瑋

  藍(lán)天一碧如洗,云朵舒展飄過。汽車在廣東東莞松山湖科學(xué)城穿行,轉(zhuǎn)過一個彎后,眼前豁然開朗,遠(yuǎn)處山坡上,“中國散裂中子源”7個遒勁有力的大字在陽光下熠熠生輝。

  11月12日,科技日報記者走進(jìn)中國散裂中子源的譜儀大廳時,這里正忙著一件大事——由中國科學(xué)院高能物理研究所與中山大學(xué)共建的高能非彈性中子散射譜儀揭牌。作為中國散裂中子源建設(shè)的8臺合作譜儀之一,這也是國內(nèi)首臺中高能非彈性中子散射譜儀,填補了我國百兆電子伏以上中高能非彈性中子散射的空白。

  看著又一個“首臺”誕生,在場的人們難掩喜悅。

  中國散裂中子源,為洞察微觀世界、探究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)提供了新的“超級顯微鏡”,讓中國科研人員的笑容更加自信。

  尋 光

  ——建自己的散裂中子源

  “當(dāng)你走進(jìn)一個昏暗的房間,首先要做什么?”

  走在中國散裂中子源的沙盤邊,中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部中子科學(xué)部副主任張俊榮向記者發(fā)問。

  “開燈?”記者本能地答道。

  “對。在暗的環(huán)境中,必須要有一個光源照亮物質(zhì),才能看到房間里的所有布局、所有東西?!睆埧s說,散裂中子源也具有這樣的強大功能,通過其發(fā)出的“光”,我們可以看到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),從而了解物質(zhì)的組成。

  曾幾何時,只有英國、美國和日本擁有這種看清物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“超級顯微鏡”——脈沖式散裂中子源。這意味著,我國科學(xué)家如果要對一些領(lǐng)域開展研究,只能向國外申請使用設(shè)備。

  “由于設(shè)備有限,我們不僅要排很久的隊,而且在諸多方面受制于人。”張俊榮說。

  說話間,記者來到了中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生的辦公室。

  辦公桌、茶幾、沙發(fā),都是最簡單的擺設(shè)。一張散裂中子源工程圖,貼在墻上最顯眼的位置。

  “中國的科學(xué)技術(shù),歸根結(jié)底要靠中國人,在自己的土地上才能發(fā)展起來!”陳和生告訴記者,中國散裂中子源可為材料科學(xué)技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、新能源等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供先進(jìn)的科研平臺,對解決國家重大戰(zhàn)略需求和前沿科學(xué)諸多領(lǐng)域的瓶頸問題有著重要意義。

  追 光

  ——讓中子“跑”起來

  在中國散裂中子源的加速器區(qū)域,只能看到一棟長方形建筑和一棟環(huán)形建筑,相關(guān)設(shè)備都埋藏于隧道內(nèi)。

  中國散裂中子源的裝置包括直線加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站以及中子散射譜儀等。

  加速器建在13米到18米深的地下,其中直線加速器隧道長240米,快循環(huán)同步加速器周長228米,相當(dāng)于半個足球場大小。

  “裝置運行期間,隧道全部封閉,調(diào)控也是遠(yuǎn)程?!睆埧s介紹說。

  在肉眼看不到的地下,是微觀粒子的廣闊天地。

  一個離子源產(chǎn)生負(fù)氫離子,在直線加速器內(nèi)加速到高速運行。此時的速度依然不夠產(chǎn)生中子,需要進(jìn)入快循環(huán)同步加速器繼續(xù)加速。

  “在數(shù)百米長的環(huán)形隧道中,每一圈質(zhì)子的速度都會增加。加速2萬圈左右,質(zhì)子的能量達(dá)到16億電子伏特,速度達(dá)到光速的92%?!睆埧s說,別以為加速2萬圈需要很長時間,實際上就是“嗖”的一下。

  如此高速高能的質(zhì)子,順著隧道來到了下一站——靶站。

  和埋藏在地下的加速器不同,靶站建在地面上,與中子散射譜儀同處一個寬闊的大廳。不過,為了確保安全,靶站和譜儀都用混凝土屏蔽體保護(hù)了起來。

  在大廳里,靶站位于中間位置,外表涂裝成藍(lán)色,非常顯眼。靶站周圍,延伸出來一條條譜儀,每一條譜儀都涂上不同的顏色,有不同的作用。

  在靶站里面,高速高能的質(zhì)子轟擊金屬鎢,就會釋放出中子。這些中子通過一條條譜儀引出來,到達(dá)放置樣品的實驗站。

  “用中子打到樣品之后,通過對中子和樣品作用散射出來的一些中子進(jìn)行分析,就能知道物質(zhì)結(jié)構(gòu)是怎樣的?!睆埧s說。

  試想,面前有一張看不見的網(wǎng),人們不斷扔出玻璃彈珠。有的彈珠穿網(wǎng)而過,有的彈珠打在網(wǎng)上再彈向不同角度。如果彈珠發(fā)得足夠多且強,就能通過彈珠的軌跡反向推測出網(wǎng)的形狀。

  目前,中國散裂中子源運行已十分順利。這背后,是10多年的籌備和6年半的建設(shè)——2018年中國散裂中子源正式投入運行,使我國成為世界上第4個擁有脈沖式散裂中子源的國家。

  發(fā) 光

  ——創(chuàng)造出一批源頭創(chuàng)新成果

  譜儀大廳,是中國散裂中子源科研人員以及來自高校、研究院、企業(yè)等用戶工作的地方。走在大廳內(nèi),記者看到這里正進(jìn)行著多物理譜儀、通用粉末衍射譜儀等多臺譜儀實驗。

  在這里做實驗,用戶通常要先制備樣品、安裝樣品。實驗開始之后,中國散裂中子源的科研人員和用戶在譜儀的控制室一起討論數(shù)據(jù)結(jié)果、實驗結(jié)果等。

  控制室的布置較為簡單,墻上的液晶顯示屏上,各種數(shù)據(jù)一目了然。

  張俊榮說,中國散裂中子源一年運行200多天,運行期間24小時開機,用戶比較辛苦,需要隨時在控制室更換樣品、進(jìn)行數(shù)據(jù)討論等,把每分鐘都充分利用起來。

  中國散裂中子源機時很珍貴,用途也很廣泛。

  “比如,高鐵車輪很大很重,很少有手段能穿透車輪看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu),但中子能提供獨一無二的手段?!睆埧s說,中子可以直接穿透大型部件,無損地看到其內(nèi)部缺陷或者結(jié)構(gòu)變化,再通過結(jié)構(gòu)演化研究,技術(shù)人員就可以提高裝備的可靠性、穩(wěn)定性。

  “在自家門口做實驗,太方便了!”中國散裂中子源的投入使用,讓香港大學(xué)教授黃明欣受益良多。過去,他需要先向國外散裂中子源申請機時,然后設(shè)計好實驗步驟,把材料寄到國外,待實驗做好之后再傳回數(shù)據(jù)。

  利用中國散裂中子源的通用粉末衍射譜儀,黃明欣團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了強度高且韌性好的“超級鋼”的微觀原理,研究成果曾兩度刊于《科學(xué)》。

  2018年投入運行以來,中國散裂中子源已累計完成10輪開放運行,一年開放機時超過5000小時,擁有約5000多個注冊用戶,總共完成課題1000余項,在航空航天、量子、能源、合金、高分子、信息材料等眾多領(lǐng)域發(fā)光發(fā)亮,創(chuàng)造出一批源頭創(chuàng)新碩果。

  采訪即將結(jié)束時,散裂中子源科學(xué)中心主任王生告訴記者,二期工程建設(shè)即將啟動,未來譜儀數(shù)量將增加到20臺,加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦,大大提高實驗精度和速度。屆時,中國散裂中子源將測量更小的樣品,研究更快的動態(tài)過程,滿足更多用戶的需求!

  (科技日報)

(責(zé)編:陳濛濛)

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