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中國散裂中子源: “超級顯微鏡”帶你格物探微

3月2日,繼物理學家、諾貝爾獎獲得者楊振寧到訪後,位於廣東東莞的中國散裂中子源基地又迎來了新一波參觀的客人。中科院院士陳和生向來訪的外國駐港領團、商會、媒體考察團一行詳細介紹了粵港澳大灣區的首個國家重大科技基礎設施——中國散裂中子源(CSNS)。

  今年春節前夕,CSNS圓滿完成了首輪開放運行任務,加速器束流功率提升至50千瓦以上。CSNS工程總指揮、工程經理陳和生院士說,首輪開放運行期間,共有來自新能源、磁性材料、高性能合金、高分子、納米、生物材料等研究領域的40項用戶課題(含8項快速申請課題)上機實驗,取得了多項重要成果。

  從無到有 實現重大跨越

  2000年7月,中國科學院在向國家科教領導小組提交的“中國高能物理和先進加速器發展目標”報告中提出建設中國散裂中子源的設想。2011年10月,CSNS裝置奠基,2012年5月,工程土建動工。經過6年半的建設,2018年3月,CSNS按期、高質量完成了全部工程建設任務,並通過了中國科學院組織的工藝鑑定和驗收。中國人從此擁有了自己的散裂中子源。

CSNS建在13米到18米深的地下,其中直線加速器隧道長240米,環形加速器周長228米,相當於半個足球場大小。其建設內容包括一臺8千萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特快循環同步加速器、一個靶站以及一期三臺供科學實驗用的中子散射譜儀。

  CSNS的建成,填補了國內脈衝中子應用領域的空白,為材料科學技術、物理、化學化工、生命科學、資源環境和新能源等諸多領域的基礎研究和高新技術開發提供了強有力的研究平臺。它的投入運行,對我國探索前沿科學問題、攻克產業關鍵核心技術等具有重要意義。

  國家驗收委員會專家認為,CSNS的性能全部達到或優於批覆的驗收指標。裝置整體設計科學合理,研製設備質量精良,靶站最高中子效率和三臺譜儀綜合性能達到國際先進水平。通過自主創新和集成創新,CSNS在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術成果,顯著提升了我國在高功率散裂靶、磁鐵、電源、探測器及電子學等領域的產業技術水平和自主創新能力,使我國在強流質子加速器和中子散射領域實現了重大跨越。

  探祕微觀 深入認知世界

通俗來說,CSNS是用中子散射的方式來探索微觀世界的工具,陳和生形象地稱它就像“超級顯微鏡”,是研究物質材料微觀結構的理想探針。

  在現代科學誕生之前,人類是用肉眼觀察世界。後來,科學家發明了光學顯微鏡,我們第一次看到了肉眼無法直接觀察到的微觀世界。而電子顯微鏡比光學顯微鏡的分辨率還要高1000倍左右,可以看到更小的病毒。人類對微觀世界的探索隨著技術手段的提高,越來越走向深入,“超級顯微鏡”散裂中子源應運而生。

  中子散射是探索物質微觀結構的有力手段之一。中子和光一樣,具有波粒二象性,既有波的性質,可以反射、折射、衍射、吸收,也具有粒子的性質,可以彈射、散射等。中子由於不帶電,不易受到帶電質子和電子的阻礙,能比其他探測方式更為輕鬆地穿透物質。中子束打到被研究的樣品身上,大多數會不受任何阻礙地穿過樣品,但有些中子會與研究對象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。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物質的結構。

  中子散射和我們熟悉的X射線類似。X射線散射對含電子數目多的原子比較敏感,但要探測氫原子等輕元素就十分困難了。中子散射則對原子核敏感,特別是對碳、氫、氧等原子核敏感,還可以區分同位素。研究含有大量氫、氧、氮原子的生物大分子,中子散射具有更大的優勢。

    首輪開放 運行效果良好

  在產業中如何應用這臺“超級顯微鏡”?陳和生舉了幾個例子。

  “在氫動力汽車研發中,要實現氫氣的穩定儲存,方法之一就是用一種金屬-有機框架(MOF)材料把氫氣吸進去,要用的時候再把氫氣釋放出來。而中子散射可以幫助科學家研究氫氣存在金屬的什麼位置、什麼情況下可以更好地釋放。”陳和生告訴記者,這正是散裂中子源應用的一個具體案例。

  此外,中子散射還是鋰電池研究的利器。“大幅度提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關鍵,可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設備放入中子散射譜儀,實時原位測量在幾百次充放電的過程中,鋰電池各個部分性能的變化,為改進和優化鋰電池的設計提供關鍵數據。國外的散裂中子源都建設了這樣專門研究鋰電池的譜儀,且嚴加保密。”陳和生補充說,“此外,可燃冰、磁性材料以及化學反應催化劑的原位研究等,都必須使用散裂中子源。”

  CSNS啟動運行後,國內外用戶申請非常踴躍,大科學裝置的綜合效應開始逐步顯現。首輪共收到用戶課題申請62項,覆蓋能源、磁性、合金、高分子、納米、生物材料等研究領域。經過專家評審,32項用戶課題(含5項國外用戶課題)獲批實驗機時。為了使用戶更好地開展中子散射研究,CSNS還舉辦了“中子科學與技術在電池領域中的應用前沿研討會”“可燃冰研發中的中子科學技術應用研討會”“散裂中子源在催化、能源、材料及相關過程的應用前沿研討會”等專題會議。

  陳和生介紹,首輪開放中,還基於CSNS的反角白光中子實驗裝置全面開展了用戶實驗,包括5個重要核數據的測量實驗,這些核數據是新一代核能工程所需要的或者測量實驗是基礎核物理和核天體物理的重要研究內容;開展了200多個集成電路芯片的高能中子單粒子效應研究;開展了利用中子輻照研發新型半導體材料的實驗等。

  中科院高能物理所副所長、東莞分部主任陳延偉說,第二輪運行開放時間為2019年2月12日至6月30日,目前已收到用戶課題申請76項(含港澳地區6項,國外2項),正由專家進行評審。

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