用“一级显微镜” 解决“卡脖子”难题

日期:2019-11-02编辑作者:仪器仪表

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3月2日,继物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁到访后,位于广东东莞的中国散裂中子源基地又迎来了新一波参观的客人。中科院院士陈和生向来访的外国驻港领团、商会、媒体考察团一行详细介绍了粤港澳大湾区的首个国家重大科技基础设施——中国散裂中子源。

8月23日,工作人员调试中国散裂中子源直线加速器速调管。新华社发

今年春节前夕,CSNS圆满完成了首轮开放运行任务,加速器束流功率提升至50千瓦以上。CSNS工程总指挥、工程经理陈和生院士说,首轮开放运行期间,共有来自新能源、磁性材料、高性能合金、高分子、纳米、生物材料等研究领域的40项用户课题上机实验,取得了多项重要成果。

沿着G94珠三角环线高速行车至莞佛高速交汇处附近,道路中的指示牌就会出现“中国散裂中子源”的标志字样,十分醒目,但绝大多数经过此处的车主,却并不清楚这个名称背后所代表的确切含义。

从无到有实现重大跨越

8月23日,随着中国散裂中子源通过国家验收,投入正式运行,我国成为继英、美、日之后,第四个拥有散裂中子源的国家。这个坐落于广东东莞的国家重大科技基础设施也终于揭开了神秘面纱,开始阔步迈入前沿科学研究的舞台中心。散裂中子源究竟为何物?和我们的日常生活有关系吗?本期科技能见度,就带您走近这个高精尖的国之重器,看看它究竟有哪些本事。

2000年7月,中国科学院在向国家科教领导小组提交的“中国高能物理和先进加速器发展目标”报告中提出建设中国散裂中子源的设想。2011年10月,CSNS装置奠基,2012年5月,工程土建动工。经过6年半的建设,2018年3月,CSNS按期、高质量完成了全部工程建设任务,并通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。中国人从此拥有了自己的散裂中子源。

把质子束当成“子弹”去轰击重金属靶

CSNS建在13米到18米深的地下,其中直线加速器隧道长240米,环形加速器周长228米,相当于半个足球场大小。其建设内容包括一台8千万电子伏特的直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪。

8月23日下午,天气晴热。在中国散裂中子源一期建设园区内,受国家发改委委托、中国科学院组织的国家验收会正在进行。

澳门新葡萄赌场娱乐,CSNS的建成,填补了国内脉冲中子应用领域的空白,为材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等诸多领域的基础研究和高新技术开发提供了强有力的研究平台。它的投入运行,对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术等具有重要意义。

验收会从下午两时半开始,经过详细汇报和反复讨论,一直持续到傍晚六时。最终,国家验收委员会专家们给出了正式的验收意见。专家认为,中国散裂中子源的各项指标均达到或优于批复的验收指标。装置整体设计先进,研制设备质量精良,靶站最高中子效率和三台谱仪综合性能达到国际先进水平。

国家验收委员会专家认为,CSNS的性能全部达到或优于批复的验收指标。装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,靶站最高中子效率和三台谱仪综合性能达到国际先进水平。通过自主创新和集成创新,CSNS在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果,显著提升了我国在高功率散裂靶、磁铁、电源、探测器及电子学等领域的产业技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。

由此,我国首台散裂中子源、粤港澳大湾区首个国家重大科技基础设施,按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务,将正式投入运行,对国内外各领域用户开放。

探秘微观深入认知世界

对于普通人来说,想要真正理解这个大科学装置的意义却并不容易,首先还要从了解这个装置的原理及作用入手。

通俗来说,CSNS是用中子散射的方式来探索微观世界的工具,陈和生形象地称它就像“超级显微镜”,是研究物质材料微观结构的理想探针。

散裂中子源常常被比作一台观察物质微观结构的“超级显微镜”。例如,同样都是由碳元素构成的物质,世界上最硬的材料之一金刚石和我们日常使用的铅笔芯材料石墨的物理性质,就有巨大差异。为何差距如此之大呢?这时散裂中子源就能发挥作用了。

在现代科学诞生之前,人类是用肉眼观察世界。后来,科学家发明了光学显微镜,我们第一次看到了肉眼无法直接观察到的微观世界。而电子显微镜比光学显微镜的分辨率还要高1000倍左右,可以看到更小的病毒。人类对微观世界的探索随着技术手段的提高,越来越走向深入,“超级显微镜”散裂中子源应运而生。

那么,如何观察物质的微观结构?在现代科学产生之前,人类用肉眼去观察和理解世界。后来,科学家发明了光学显微镜,人类第一次看到了肉眼无法直接观察到的细胞和细菌等微观世界。而电子显微镜比光学显微镜的分辨率要高1000倍左右,可以看到更小的病毒。

中子散射是探索物质微观结构的有力手段之一。中子和光一样,具有波粒二象性,既有波的性质,可以反射、折射、衍射、吸收,也具有粒子的性质,可以弹射、散射等。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上,大多数会不受任何阻碍地穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周散射。测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的结构。

随着人类对微观世界的探索的技术手段提高,“超级显微镜”散裂中子源也应运而生。

中子散射和我们熟悉的X射线类似。X射线散射对含电子数目多的原子比较敏感,但要探测氢原子等轻元素就十分困难了。中子散射则对原子核敏感,特别是对碳、氢、氧等原子核敏感,还可以区分同位素。研究含有大量氢、氧、氮原子的生物大分子,中子散射具有更大的优势。

该装置的工作原理,是将质子加速到16亿电子伏特,速度相当于0.9倍光速,然后把质子束当成“子弹”,去轰击原子系数很高的重金属靶,金属靶的原子核被撞击产生中子,再射向样品,科学家通过围绕样品的谱仪收集被散射的中子,从而可精确反推出样品的物质结构。

首轮开放运行效果良好

研究物质材料微观结构的理想探针

在产业中如何应用这台“超级显微镜”?陈和生举了几个例子。

中子是研究物质材料微观结构的理想探针,但在自然状态下不易获取,因此必须建造特定装置来获得稳定的中子束流。产生中子有两种方式:一种是看起来威力很大的核反应堆,利用铀235的核裂变反应产生中子,但这种方式对于安全性是很大的威胁。

“在氢动力汽车研发中,要实现氢气的稳定储存,方法之一就是用一种金属-有机框架材料把氢气吸进去,要用的时候再把氢气释放出来。而中子散射可以帮助科学家研究氢气存在金属的什么位置、什么情况下可以更好地释放。”陈和生告诉记者,这正是散裂中子源应用的一个具体案例。

散裂中子源则不使用核燃料,而且热功率低,因此成为了国际上先进中子散射源的发展趋势。其加速质子使用的是高频电磁场,只要切断电源,质子就会立即停止轰击金属靶,不会有任何放射性污染且可控,因此是最安全的产生中子的方式。

此外,中子散射还是锂电池研究的利器。“大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,可以将汽车锂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,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。国外的散裂中子源都建设了这样专门研究锂电池的谱仪,且严加保密。”陈和生补充说,“此外,可燃冰、磁性材料以及化学反应催化剂的原位研究等,都必须使用散裂中子源。”

不过,散裂中子源装置极为庞大,而且部件繁多,工艺极其复杂,制造和安装难度极大。此前,世界上仅有英、美、日三国各建造了一台。例如漂移管直线加速器,安装的误差不能超过0.05毫米,比一根头发丝还细;散裂中子源的“眼睛”——中子探测器,此前的核心技术掌握在外国人手中,但经过中国科研人员攻关,克服了层层技术难关,使得项目顺利建成。

CSNS启动运行后,国内外用户申请非常踊跃,大科学装置的综合效应开始逐步显现。首轮共收到用户课题申请62项,覆盖能源、磁性、合金、高分子、纳米、生物材料等研究领域。经过专家评审,32项用户课题获批实验机时。为了使用户更好地开展中子散射研究,CSNS还举办了“中子科学与技术在电池领域中的应用前沿研讨会”“可燃冰研发中的中子科学技术应用研讨会”“散裂中子源在催化、能源、材料及相关过程的应用前沿研讨会”等专题会议。

中国散裂中子源一期,包括一台8000万电子伏特负氢离子直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站,以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪。

陈和生介绍,首轮开放中,还基于CSNS的反角白光中子实验装置全面开展了用户实验,包括5个重要核数据的测量实验,这些核数据是新一代核能工程所需要的或者测量实验是基础核物理和核天体物理的重要研究内容;开展了200多个集成电路芯片的高能中子单粒子效应研究;开展了利用中子辐照研发新型半导体材料的实验等。

中国散裂中子源工程总指挥、工程经理陈和生告诉记者,该装置的建成,填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白,将为诸多领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究平台,例如物质科学、生命科学、资源环境、新能源等。它的投入运行,对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术、解决“卡脖子”问题具有重要意义。

中科院高能物理所副所长、东莞分部主任陈延伟说,第二轮运行开放时间为2019年2月12日至6月30日,目前已收到用户课题申请76项,正由专家进行评审。

未来有望为癌症患者带来福音

那么,散裂中子源究竟有何用途呢?陈和生举例道,“我们可以利用散裂中子源来研究大型金属部件的残余应力,这对于提高高铁关键部件和航空发动机部件的性能,以及核电站部件的服役性能十分重要。此外,可燃冰、磁性材料的研究,以及化学反应催化剂的原位研究等,都可以使用散裂中子源。”

实际上,中子散射在日常生活中的应用也非常广泛。例如,中子散射是研究锂电池的利器。众所周知,大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键。科学家可以将汽车锂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,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。

在能源材料领域,氢动力汽车比以汽油为燃料的汽车更加节能环保。为实现氢气的稳定储存,需要把氢气变成密度更高的固体。最简单的办法是给氢气加压,但又有容易引发爆炸的危险。现代科学家用一种金属——有机框架材料,可以把氢气吸进去,要用的时候再把氢气释放出来。而中子散射就可以帮助科学家研究,氢气在金属的什么位置、什么情况下可以更好地释放。

与普通人生活相关的应用在医疗领域。去年8月,中国科学院高能物理研究所与东阳光集团举行了硼中子俘获治疗项目合作签约。硼中子俘获治疗的原理是先为病人注射一种含硼的药物,该药物会迅速聚集于癌细胞内。当中子源装置产生中子通过照射,被癌细胞内的硼俘获,就会在体内发生很强的核反应,释放出杀伤力极强的射线,可以杀死癌细胞而不损伤周围组织。这种疗法具有安全性高、定位精准、价格相对低廉等优点。因此,散裂中子源与医药企业联手,未来有望为癌症患者的治疗带来福音。

事实上,自2018年3月试运行以来,散裂中子源首期三台谱仪已完成10个用户单位16个研究组的21个样品实验,并取得了首批重要科学成果。这些实验均针对国家重点发展领域,充分发挥了中子散射的特点,涵盖了能源、物理、材料、工程等多个前沿交叉和高科技研发领域,如锂离子电池材料、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜等。

散裂中子源工作原理

1负氢离子产生后,在直线加速器里加速,经过剥离掉电子转化成质子

2质子束积累到足够流强后,再注入环形加速器继续加速

3当质子束达到16亿电子伏的能量后,从环形加速器引出,经传输线打向金属钨靶

4金属钨原子核在高能质子的轰击下,发生散裂反应释放出中子,一个质子在打靶后大概可以产生20—30个中子

5高能中子束流脉冲非常短又非常强,经过慢化器慢化处理后,通过中子导管引向各种研究用的谱仪,才能让中子与试验样品的原子碰撞

6中子谱仪会记录下碰撞后中子的运动轨迹,供用户进行实验研究

■展望

助推粤港澳大湾区科创高地建设

散裂中子源支撑的学科研究和应用领域众多,是目前国际上公认的、与大型光源互补,却发挥着无法被取代的新一代科学研究和先进材料研发的主流大科学装置。十余载磨一剑,各方对于散裂中子源未来的设想远未止步。

在东莞市有关构想中,还希望借鉴英国卢瑟福国家实验室等成功经验,以散裂中子源为核心,规划建设一个中子科学城,引进更多重大科学装置和实验室,以及一批项目研究所及研究型大学分部,搭建和运营国家实验室群。中科院高能物理研究所也在为这一构想提供智力支持。

“衡量用户装置成功与否的主要标准是用户的科技成果和对满足国家战略需求的贡献。”陈和生表示。

依托中国散裂中子源,“同步辐射光源”项目已经在积极考察筹备,材料科学与技术广东省实验室也选址在附近开始筹建,可以预见的是,未来将能吸引大批材料科学领域的高水平人才。

与此同时,粤港澳大湾区的研究机构和高校对利用散裂中子源也表现得非常积极,纷纷要求出资共建谱仪,表现出强劲的用户需求。

目前,散裂中子源已经建成了三台谱仪,包括一台通用粉末衍射仪、一台多功能反射仪和一台小角散射仪。按照规划,未来还将陆续建设17台不同类型的谱仪。其中,包括正计划与珠三角等地的用户共建的5台谱仪。例如,与东莞理工学院和香港城市大学合作建设“多物理谱仪”、与南方科技大学合作建设“高压粉末衍射仪”、与工信部电子五所合作建设“大气中子辐照谱仪”等等。

中国科学院院士、高能物理研究所所长王贻芳曾表示,中国散裂中子源选址于广东省东莞市,这是国家大科学装置首次在我国南方经济强省建设布局,优化了科研设施在全国的布局,有利于增强南方经济强省的科研创新能力,对促进珠三角地区的经济转型升级,建设华南科技创新高地,助力粤港澳大湾区建设等,都具有重要意义。

(原载于《南方日报》 2018-08-29 A12版)

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