散裂中子源探索微觀世界的超級顯微鏡

你知道怎樣破解航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟病”嗎？那就要克服制約其性能的最大瓶頸之一——葉片金屬疲勞。金屬也會(huì)疲勞，每分鐘幾萬轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)得久了，就存在裂碎風(fēng)險(xiǎn)。散裂中子源可以用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片應(yīng)力測試，以探測和預(yù)防金屬疲勞。

你知道分布于深海或陸域永久凍土中的可燃冰嗎？要想安全開采、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和利用可燃冰，就需要了解它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。可燃冰是甲烷與水在高壓低溫條件下形成的結(jié)晶物質(zhì)，科學(xué)家必須將其放在很厚的金屬容器內(nèi)，模擬千米水深下的巨大壓力。中子對組成可燃冰的碳?xì)浠衔镒蠲舾校ㄟ^散裂中子源就可以隔著厚厚的金屬容器進(jìn)行可燃冰研究。

研究電動(dòng)汽車的電池性能，研究催化劑的作用機(jī)理，研究芯片的單粒子效應(yīng)，研究高溫超導(dǎo)材料的自旋漲落，在這些領(lǐng)域，散裂中子源都能發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在廣東省東莞市松山湖科學(xué)城，緊鄰高速公路，有一片依山而建、造型獨(dú)特的建筑群，山坡上矗立著“中國散裂中子源”幾個(gè)大字。中國散裂中子源（CSNS）是我國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，為國際前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究和國家發(fā)展戰(zhàn)略諸多領(lǐng)域提供先進(jìn)的中子散射研究和應(yīng)用。它的成功建設(shè)，填補(bǔ)了國內(nèi)脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白，技術(shù)和綜合性能進(jìn)入國際同類裝置先進(jìn)行列，顯著提升了我國在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力。

中子是探索微觀世界的理想“探針”

物理學(xué)在過去一個(gè)世紀(jì)經(jīng)歷了三次大的跨越，從原子物理深入到原子核物理，再深入到粒子物理。100多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子由原子核和電子組成，后來又發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子組成，從20世紀(jì)60年代開始，科學(xué)家逐步發(fā)現(xiàn)組成原子核的質(zhì)子和中子是由更深層次的粒子——夸克組成的。

應(yīng)該說，這三次大的跨越產(chǎn)生豐碩成果，在不斷深入到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)新層次的研究過程中，物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論取得重大突破，并且?guī)?dòng)重大技術(shù)發(fā)明，轉(zhuǎn)化成巨大生產(chǎn)力。我們現(xiàn)在用的半導(dǎo)體、電視、手機(jī)、計(jì)算機(jī)、激光以及全球定位系統(tǒng)，都是以20世紀(jì)物理學(xué)的研究成果為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。

如何去研究微觀結(jié)構(gòu)呢？我們在中學(xué)生物課上用顯微鏡來看花粉、看細(xì)胞。如果想看再精細(xì)一些的結(jié)構(gòu)，可以用電子顯微鏡。更精細(xì)的，就要用到我們稱之為超級顯微鏡的散裂中子源、同步輻射光源等。散裂中子源作為一臺超級顯微鏡，是以中子為“探針”，看穿材料的微觀結(jié)構(gòu)。

中子具備一些特性，如不帶電，但是有磁矩；能夠探測原子核的位置，探測同步輻射所不敏感的輕元素，比如碳、氫、氧、氮等元素的位置；穿透能力非常強(qiáng)，能夠用來原位研究大的工程部件的殘余應(yīng)力和金屬疲勞；可以探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀動(dòng)態(tài)過程等。因此，它被科學(xué)家視作探索微觀世界的理想“探針”。當(dāng)中子與被研究對象的原子核相互作用而改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，科學(xué)家通過分析散射中子的軌跡、能量和動(dòng)量變化，就能反推出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這就好像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，彈向不同角度。如果記錄下這些彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡，就能大致推測出網(wǎng)的形狀。如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)的組成精確地描繪出來。

大科學(xué)裝置是國之重器、科技利器

中子其實(shí)在我們周圍到處都存在，但這些中子都被束縛于原子核中，無法自由運(yùn)動(dòng)。我們要用中子做探針，就需要自由的中子。自由的中子從何而來？這就需要專門產(chǎn)生大量自由中子的裝置，可以通俗地稱之為產(chǎn)生中子的“工廠”。這樣的“工廠”主要有兩類：一類是反應(yīng)堆中子源，還有一類是散裂中子源，它通過高能質(zhì)子束去轟擊重金屬靶，發(fā)生散裂反應(yīng)，從而產(chǎn)生高通量短脈沖中子束流。國際上的先進(jìn)中子源正在逐步從反應(yīng)堆轉(zhuǎn)向散裂中子源，因?yàn)槠湫阅芨茫野踩愿摺?/p>

你知道怎樣破解航空發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟病”嗎？那就要克服制約其性能的最大瓶頸之一——葉片金屬疲勞。你知道分布于深海或陸域永久凍土中的可燃冰嗎？要想安全開采、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和利用可燃冰，就需要了解它的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

物理學(xué)有一條基本規(guī)律，研究越小的尺度，需要越高的能量。隨著物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究深入到原子核和粒子的層次，研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的尺度越來越小，就需要使用能量越來越高的粒子。加速器可以產(chǎn)生高能量粒子，加速器做得越大，能量有可能越高，于是催生了各種基于大型加速器的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也稱大科學(xué)裝置。

這些大科學(xué)裝置具有鮮明的科學(xué)和工程雙重屬性，知識創(chuàng)新和科學(xué)成果產(chǎn)出豐碩，技術(shù)溢出、人才集聚效益非常顯著，因此往往成為國家創(chuàng)新高地的關(guān)鍵要素，是國之重器、科技利器。

2011年9月，中國散裂中子源裝置在廣東東莞開工建設(shè)。一期建設(shè)內(nèi)容包括一臺8000萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站，以及3臺供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀。其工作原理是將質(zhì)子加速到16億電子伏特，速度相當(dāng)于0.92倍光速，把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊重金屬靶。金屬靶的原子核被撞擊出質(zhì)子和中子，科學(xué)家便通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實(shí)驗(yàn)。

散裂中子源裝置不僅極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復(fù)雜，制造和安裝過程克服了重重困難。裝置各項(xiàng)設(shè)備的批量生產(chǎn)由全國近百家合作單位完成，國產(chǎn)化率達(dá)90%以上，許多設(shè)備達(dá)到國際先進(jìn)水平。2017年8月，中國散裂中子源首次打靶就成功獲得完全符合預(yù)期的中子束流。2018年，中國散裂中子源按指標(biāo)、按工期高質(zhì)量完成了工程建設(shè)任務(wù)，從此實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域的重大跨越，為物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)研發(fā)提供強(qiáng)有力支撐。

散裂中子源是提供先進(jìn)中子散射研究和應(yīng)用的大型交叉平臺

自中國散裂中子源通過國家驗(yàn)收進(jìn)入正式運(yùn)行階段以來，已完成11輪開放，每年運(yùn)行時(shí)間超過5000小時(shí)，開放時(shí)長和效率都處于國際同類裝置的領(lǐng)先水平。目前已完成超過1300個(gè)科研課題，取得了一批重要科學(xué)成果，如鋰離子電池、太陽能電池結(jié)構(gòu)、稀土磁性、新型高溫超導(dǎo)、量子材料、功能薄膜、高強(qiáng)合金、芯片單粒子效應(yīng)等，為國家諸多領(lǐng)域的戰(zhàn)略需求和高科技產(chǎn)業(yè)提供關(guān)鍵的研究平臺。在粵港澳大灣區(qū)，散裂中子源另外建設(shè)了8臺合作譜儀，已經(jīng)陸續(xù)投入運(yùn)行。

近年來，中國散裂中子源對國產(chǎn)高鐵車輪進(jìn)行內(nèi)部深度殘余應(yīng)力測量，給出了高鐵車輪完整的應(yīng)力數(shù)據(jù)，對高鐵安全性和提速具有重要意義；利用中子的穿透能力和對復(fù)雜組分的定量識別能力，解釋了創(chuàng)造世界紀(jì)錄的高屈服強(qiáng)度且韌性好的超級鋼的新機(jī)制；通過實(shí)時(shí)原位測量，研究汽車鋰電池的結(jié)構(gòu)特征和鋰離子在充放電循環(huán)過程中的輸運(yùn)行為，對鋰電池性能提高提供重要數(shù)據(jù)支撐；運(yùn)行大氣中子譜儀，加速模擬宇宙射線打到大氣層產(chǎn)生的中子輻照環(huán)境，為解決電子元器件在大氣層內(nèi)與地面的失效問題提供重要手段，為飛機(jī)適航論證和航空器安全提供研究平臺。

散裂中子源積極推動(dòng)相關(guān)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。硼中子靶向腫瘤治療，是一種新的二元細(xì)胞級精準(zhǔn)治療癌癥技術(shù)，利用中國散裂中子源發(fā)展起來的技術(shù)所研制的。硼中子俘獲治療項(xiàng)目作為推進(jìn)散裂中子源技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的第一個(gè)項(xiàng)目，臨床設(shè)備在東莞市人民醫(yī)院已完成安裝和調(diào)試，即將開始臨床試驗(yàn)。

中國散裂中子源二期工程于2024年1月正式啟動(dòng)。二期工程建成后，中國散裂中子源的譜儀數(shù)量將增加到20臺，加速器打靶束流功率將從一期的100千瓦提高到500千瓦。新的譜儀和實(shí)驗(yàn)終端建成后，中國散裂中子源的設(shè)備研究能力將大幅提升，實(shí)驗(yàn)精度和速度將顯著提高，能夠測量更小的樣品、研究更快的動(dòng)態(tài)過程，為前沿科學(xué)研究、國家重大需求和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供更先進(jìn)的研究平臺。

中國散裂中子源的建成恰逢大科學(xué)裝置發(fā)展的好時(shí)代，肩負(fù)發(fā)展中國中子散射研究和應(yīng)用的重任，為國家創(chuàng)新發(fā)展提供重要引擎，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)作出貢獻(xiàn)。

◎ 來源| 人民日報(bào)