放电模拟仪(这台“超级显微镜”不一般)

Posted 2023-05-27

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放电模拟仪(这台“超级显微镜”不一般)

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。

(来源:人民日报)