坐落于廣東東莞的中國散裂中子源,服務(wù)基礎(chǔ)研究,支撐高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
中子雖小,但產(chǎn)生強(qiáng)中子束的散裂中子源卻很龐大,是集合了各種高、精、尖設(shè)備組成的大科學(xué)裝置。
中國散裂中子源(CSNS)坐落于廣東省東莞市松山湖畔。中國散裂中子源隧道內(nèi)裝置建在13米到18米深的地下,主要包括一臺(tái)負(fù)氫離子直線加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站、3臺(tái)中子譜儀等。2011年9月開工建設(shè),2018年8月,這一國之重器通過國家驗(yàn)收,成為世界上第四個(gè)脈沖散裂中子源裝置。
“中國散裂中子源90%以上的裝置設(shè)備,由我國自主研發(fā)并實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。” 中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生語氣中帶著自豪。他說,通過建造中國散裂中子源,顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測(cè)器及電子學(xué)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。
探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要“探針”
“散裂中子源就像一臺(tái)‘超級(jí)顯微鏡’,它是探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要手段。”陳和生說。
科學(xué)家介紹,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)。同樣由碳元素構(gòu)成,金剛石堅(jiān)硬,石墨潤滑,就緣于它們的不同結(jié)構(gòu)。為看清物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),科學(xué)家設(shè)計(jì)了很多方法,利用中子散射探測(cè)是其中之一。
中子散射為何能看清微觀世界?原子由原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成,其中原子核又包括帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。相比其他探測(cè)方式,中子能輕松地穿透物質(zhì)。
中子束打到被研究的樣品上,雖然大多數(shù)不會(huì)受到任何阻礙,但有些中子會(huì)與研究對(duì)象的原子核發(fā)生相互作用,從而改變運(yùn)動(dòng)方向。通過分析中子散射的軌跡、中子和物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)能量和動(dòng)量的變化,科學(xué)家就能反推物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
陳和生打了個(gè)比方:我們不斷往一張看不見的網(wǎng)上扔彈珠,有的彈珠穿網(wǎng)而過,有的則打在網(wǎng)上,彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡,就能大致推測(cè)出網(wǎng)的形狀;如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強(qiáng),就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來,甚至推斷其材質(zhì)。
散裂中子源就能發(fā)出“彈珠”。它的原理是,先把質(zhì)子加速到一定的能量,再把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”,去轟擊原子序數(shù)很高的重金屬靶,靶的原子核被撞擊出大量中子??茖W(xué)家通過特殊裝置“收集”中子,然后用中子做探針,便可以開展各種實(shí)驗(yàn)了。
中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部副主任梁天驕介紹,除中子散射外,觀察微觀世界還有同步輻射和電子顯微鏡等方式。其中,中子散射用的是中子,同步輻射借助的是X射線,電子顯微鏡則依靠電子。
“散裂中子源有其他方式無法替代的作用,它與同步輻射光源互為補(bǔ)充。”梁天驕解釋,比如,同步輻射X射線是與原子核外的電子相互作用,對(duì)含有電子數(shù)目較多的原子敏感,但探測(cè)如氫原子等輕元素就比較困難。而中子散射與原子核相互作用的散射強(qiáng)度,不受原子序數(shù)影響,它不僅能夠區(qū)分同位素和相鄰元素,還可以區(qū)分氫、鋰、碳等輕元素,因此在研究含有氫、鋰等輕元素的能源材料、軟物質(zhì)與生物材料等方面中子散射有優(yōu)勢(shì)。
破解新材料、生命科學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域難題
1998年6月,德國一列高鐵意外出軌。是車輪、軸承還是鐵軌出了故障?分析事故原因時(shí),科學(xué)家陷入爭(zhēng)論。有人提出,用電子顯微鏡觀察這些部件,但這需要用激光刀把金屬部件切成小于1微米的薄片,幾乎無法操作。
借助中子散射技術(shù),科學(xué)家找到事故的元兇——失事的車輛車輪內(nèi)部的金屬疲勞。陳和生告訴記者,高鐵的車輪、飛機(jī)的渦輪葉片里的應(yīng)力變化看不到、摸不著,但超過一定值,就存在隱患。如今,在散裂中子源上測(cè)量研究車輪和葉片的殘余應(yīng)力,可以優(yōu)化機(jī)械加工工藝,幫助高鐵和飛機(jī)變得更安全、更舒適。
研究大型工程部件殘余應(yīng)力和金屬疲勞,只是中子散射諸多應(yīng)用中的一種。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域,中子散射能夠幫助科學(xué)家看清蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu);在可燃冰的開發(fā)利用中,散裂中子源可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件,為安全、高效地開采和利用提供科學(xué)依據(jù)。
中子散射能用于文物研究。想了解一尊佛像的制造工藝,但無法把它大卸八塊,怎么辦?利用中子成像技術(shù),能清晰看到佛像的中間有一根木制“主梁”。這是因?yàn)橹凶由⑸鋵?duì)輕的元素非常敏感,中間的棍子是木頭做的,也就是碳?xì)浠衔铮凶涌梢暂p易地“看到”它。因此可推測(cè)出古代工匠在造佛像時(shí),先在中間立一根木梁,然后在木梁周圍纏上支撐架,最終用黏土制成。
“中子散射還是研究鋰電池的利器。”梁天驕告訴記者,將工業(yè)電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀,實(shí)時(shí)原位測(cè)量在幾百次充放電的過程中,鋰電池各個(gè)部分材料結(jié)構(gòu)、性能的變化,能夠?yàn)楦倪M(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
回顧中國散裂中子源的建造歷程,陳和生說:“散裂中子源建起來復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)難度大,但國民經(jīng)濟(jì)許多關(guān)鍵領(lǐng)域的研究離不開它。20多年前,我們就向國家提出了要建造自己的散裂中子源,這件事困難再大也要做。”
突破關(guān)鍵核心技術(shù),往往離不開對(duì)前沿科學(xué)問題的探索。陳和生認(rèn)為,在新材料、生命科學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域,中國散裂中子源有望助力我國解決“瓶頸”難題。
成為粵港澳大灣區(qū)的創(chuàng)新策源地
科學(xué)家告訴記者,中國散裂中子源投入運(yùn)行以來,為多學(xué)科交叉前沿研究和高技術(shù)創(chuàng)新提供了先進(jìn)的平臺(tái),獲得了大批重要成果,成為粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
去年5月,香港大學(xué)教授黃明欣團(tuán)隊(duì)關(guān)于高強(qiáng)度鋼的研究在《科學(xué)》雜志發(fā)表。正是利用中國散裂中子源,該團(tuán)隊(duì)得到了這種高強(qiáng)度鋼獨(dú)特性質(zhì)的重要微觀結(jié)構(gòu)信息。
中國散裂中子源建成不久后,陳和生曾預(yù)言,松山湖畔將會(huì)成為科技創(chuàng)新的沃土。目前,中國散裂中子源就像一塊磁鐵,正吸引著科研人員慕名而來。
“建起來了,我們還要用好。”中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉介紹,中國散裂中子源正式運(yùn)行以來,積極推進(jìn)裝置的開放共享,逐漸成為粵港澳大灣區(qū)的創(chuàng)新策源地。
記者了解到,截至目前,中國散裂中子源已完成四輪運(yùn)行,注冊(cè)用戶超2000人,支撐了400多項(xiàng)研究課題,來自粵港澳大灣區(qū)的約占1/4,其中來自中國香港、中國澳門的用戶大概一共占總用戶的10%。
“今年上半年申請(qǐng)的機(jī)時(shí)翻了一倍,科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界對(duì)中國散裂中子源的需求很旺盛。”陳延偉告訴記者。
中國散裂中子源是服務(wù)基礎(chǔ)研究的工具,也是發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐。談起選址東莞的初衷,陳延偉告訴記者,珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好,但過去缺少有分量的大科學(xué)裝置,在各方努力下,最終在這里選址。
陳延偉接著說,絕大多數(shù)企業(yè)不可能自己建設(shè)單獨(dú)的大科學(xué)裝置,有了中國散裂中子源這個(gè)平臺(tái),企業(yè)就能夠做一些前沿的研究,為產(chǎn)業(yè)升級(jí)、邁向高端打基礎(chǔ)。
中國散裂中子源仍在成長中。陳延偉說,中國散裂中子源設(shè)計(jì)了20個(gè)譜儀孔道,目前一期僅建設(shè)了3臺(tái)譜儀。同時(shí),散裂中子源的建設(shè)涉及大量高技術(shù),中國散裂中子源要加強(qiáng)與國內(nèi)外科學(xué)家交流,推動(dòng)相關(guān)應(yīng)用和研究走向深入,力爭(zhēng)為國家科技發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。
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