中國(guó)散裂中子源： 探秘微觀 深入認(rèn)知世界

3月2日，繼物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者楊振寧到訪后，位于廣東東莞的中國(guó)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(guó)駐港領(lǐng)團(tuán)、商會(huì)、媒體考察團(tuán)一行詳細(xì)介紹了粵港澳大灣區(qū)的首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國(guó)散裂中子源(CSNS)。

今年春節(jié)前夕，CSNS圓滿完成了首輪開放運(yùn)行任務(wù)，加速器束流功率提升至50千瓦以上。CSNS工程總指揮、工程經(jīng)理陳和生院士說，首輪開放運(yùn)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(lǐng)域的40項(xiàng)用戶課題(含8項(xiàng)快速申請(qǐng)課題)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，取得了多項(xiàng)重要成果。

從無到有 實(shí)現(xiàn)重大跨越

2000年7月，中國(guó)科學(xué)院在向國(guó)家科教領(lǐng)導(dǎo)小組提交的“中國(guó)高能物理和先進(jìn)加速器發(fā)展目標(biāo)”報(bào)告中提出建設(shè)中國(guó)散裂中子源的設(shè)想。2011年10月，CSNS裝置奠基，2012年5月，工程土建動(dòng)工。經(jīng)過6年半的建設(shè)，2018年3月，CSNS按期、高質(zhì)量完成了全部工程建設(shè)任務(wù)，并通過了中國(guó)科學(xué)院組織的工藝鑒定和驗(yàn)收。中國(guó)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(zhǎng)240米，環(huán)形加速器周長(zhǎng)228米，相當(dāng)于半個(gè)足球場(chǎng)大小。其建設(shè)內(nèi)容包括一臺(tái)8千萬電子伏特的直線加速器、一臺(tái)16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站以及一期三臺(tái)供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀。

CSNS的建成，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，為材料科學(xué)技術(shù)、物理、化學(xué)化工、生命科學(xué)、資源環(huán)境和新能源等諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的研究平臺(tái)。它的投入運(yùn)行，對(duì)我國(guó)探索前沿科學(xué)問題、攻克產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)等具有重要意義。

國(guó)家驗(yàn)收委員會(huì)專家認(rèn)為，CSNS的性能全部達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。裝置整體設(shè)計(jì)科學(xué)合理，研制設(shè)備質(zhì)量精良，靶站最高中子效率和三臺(tái)譜儀綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，CSNS在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術(shù)成果，顯著提升了我國(guó)在高功率散裂靶、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)水平和自主創(chuàng)新能力，使我國(guó)在強(qiáng)流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大跨越。

探秘微觀 深入認(rèn)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(jí)顯微鏡”，是研究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的理想探針。

在現(xiàn)代科學(xué)誕生之前，人類是用肉眼觀察世界。后來，科學(xué)家發(fā)明了光學(xué)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(xué)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(duì)微觀世界的探索隨著技術(shù)手段的提高，越來越走向深入，“超級(jí)顯微鏡”散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生。

中子散射是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)，可以反射、折射、衍射、吸收，也具有粒子的性質(zhì)，可以彈射、散射等。中子由于不帶電，不易受到帶電質(zhì)子和電子的阻礙，能比其他探測(cè)方式更為輕松地穿透物質(zhì)。中子束打到被研究的樣品身上，大多數(shù)會(huì)不受任何阻礙地穿過樣品，但有些中子會(huì)與研究對(duì)象的原子核發(fā)生相互作用，其運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生改變，向四周散射。測(cè)量中子散射的軌跡及其能量和動(dòng)量的變化，就可以精確地反推出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

中子散射和我們熟悉的X射線類似。X射線散射對(duì)含電子數(shù)目多的原子比較敏感，但要探測(cè)氫原子等輕元素就十分困難了。中子散射則對(duì)原子核敏感，特別是對(duì)碳、氫、氧等原子核敏感，還可以區(qū)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(yōu)勢(shì)。

首輪開放 運(yùn)行效果良好

在產(chǎn)業(yè)中如何應(yīng)用這臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”?陳和生舉了幾個(gè)例子。

“在氫動(dòng)力汽車研發(fā)中，要實(shí)現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定儲(chǔ)存，方法之一就是用一種金屬-有機(jī)框架(MOF)材料把氫氣吸進(jìn)去，要用的時(shí)候再把氫氣釋放出來。而中子散射可以幫助科學(xué)家研究氫氣存在金屬的什么位置、什么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(yīng)用的一個(gè)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(dòng)汽車推廣的關(guān)鍵，可以將汽車鋰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)部分性能的變化，為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。國(guó)外的散裂中子源都建設(shè)了這樣專門研究鋰電池的譜儀，且嚴(yán)加保密。”陳和生補(bǔ)充說，“此外，可燃冰、磁性材料以及化學(xué)反應(yīng)催化劑的原位研究等，都必須使用散裂中子源。”

CSNS啟動(dòng)運(yùn)行后，國(guó)內(nèi)外用戶申請(qǐng)非常踴躍，大科學(xué)裝置的綜合效應(yīng)開始逐步顯現(xiàn)。首輪共收到用戶課題申請(qǐng)62項(xiàng)，覆蓋能源、磁性、合金、高分子、納米、生物材料等研究領(lǐng)域。經(jīng)過專家評(píng)審，32項(xiàng)用戶課題(含5項(xiàng)國(guó)外用戶課題)獲批實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)。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(xué)與技術(shù)在電池領(lǐng)域中的應(yīng)用前沿研討會(huì)”“可燃冰研發(fā)中的中子科學(xué)技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)”“散裂中子源在催化、能源、材料及相關(guān)過程的應(yīng)用前沿研討會(huì)”等專題會(huì)議。

陳和生介紹，首輪開放中，還基于CSNS的反角白光中子實(shí)驗(yàn)裝置全面開展了用戶實(shí)驗(yàn)，包括5個(gè)重要核數(shù)據(jù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，這些核數(shù)據(jù)是新一代核能工程所需要的或者測(cè)量實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)核物理和核天體物理的重要研究?jī)?nèi)容;開展了200多個(gè)集成電路芯片的高能中子單粒子效應(yīng)研究;開展了利用中子輻照研發(fā)新型半導(dǎo)體材料的實(shí)驗(yàn)等。

中科院高能物理所副所長(zhǎng)、東莞分部主任陳延偉說，第二輪運(yùn)行開放時(shí)間為2019年2月12日至6月30日，目前已收到用戶課題申請(qǐng)76項(xiàng)(含港澳地區(qū)6項(xiàng)，國(guó)外2項(xiàng))，正由專家進(jìn)行評(píng)審。(李大慶)

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