“超級顯微鏡”帶你探微格物
探訪中國散裂中子源
本報記者 初英杰
裝置簡介：
中國散裂中子源(CSNS)是我國首臺、世界第四臺脈沖式散裂中子源，是國際前沿基礎(chǔ)研究和國家發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)域多學(xué)科交叉研究的大型平臺。中國散裂中子源的成功建設(shè)，填補了國內(nèi)脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白，技術(shù)和綜合性能進入國際同類裝置先進行列，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，實現(xiàn)了強流質(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)提供了強有力的支撐。
廣東東莞大朗鎮(zhèn)，松山湖科學(xué)城。
這里曾是一片荔枝林，如今坐落著一座“中子工廠”。
中國散裂中子源(CSNS)，我國迄今為止已建成的單項投資規(guī)模最大的大科學(xué)工程。它的建成，使我國成為繼英國、美國、日本之后，世界上第四個擁有脈沖式散裂中子源的國家。
前不久，中國散裂中子源二期工程組織了可行性研究報告評審。明年上半年，二期工程有望動工建設(shè)。
散裂中子源是什么，為什么被稱為“國之重器”？
中國科學(xué)院高能物理研究所(以下簡稱中科院高能所)副所長、東莞研究部主任陳延偉打了個比方：“簡單來說，散裂中子源就是一臺‘超級顯微鏡’，其產(chǎn)生的中子如同‘探針’，可以清晰檢測物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。”
陳延偉介紹，作為當(dāng)今人類深度探索微觀世界的有力工具，散裂中子源廣泛應(yīng)用于新材料研發(fā)、關(guān)鍵零部件的性能檢測等熱門領(lǐng)域，為材料科學(xué)技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、新能源等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供先進的科研平臺，對滿足國家重大戰(zhàn)略需求和解決前沿科學(xué)諸多領(lǐng)域的瓶頸問題具有重要意義。
1 設(shè)備研制達到國際先進水平，核心設(shè)備國產(chǎn)化率達90%以上
中子，組成原子核的基本粒子之一。
中子有很多特質(zhì)。它不帶電，但有磁矩，能很好地幫助我們對磁性結(jié)構(gòu)做研究；它穿透力強，具有非破壞性，能夠原位地研究大的工程部件的殘余應(yīng)力和金屬疲勞，為高端制造保駕護航；它對生命科學(xué)和能源領(lǐng)域極為重要的元素，如碳、氫、氧、氮等，都比較敏感；它跟原子核相互作用，能夠區(qū)分同位素……
“這些特質(zhì)，決定了中子在微觀研究領(lǐng)域的不可替代性�！敝锌圃焊吣芩鶘|莞研究部副主任、散裂中子源科學(xué)中心副主任金大鵬對記者說。
研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)需要大量中子，這就要用到能安全、高效地產(chǎn)生中子的散裂中子源。
中國散裂中子源主要由三大部分構(gòu)成：2臺加速器，包括1臺負氫離子直線加速器、1臺快循環(huán)質(zhì)子同步加速器；1個靶站；多臺中子譜儀。此外，還有相應(yīng)配套設(shè)施。
陳延偉介紹了其工作原理：將質(zhì)子加速到16億電子伏特，把速度相當(dāng)于0.92倍光速的質(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質(zhì)子和中子，科學(xué)家通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。
建設(shè)中國散裂中子源的建議，始于上世紀(jì)九十年代末期關(guān)于中國高能物理發(fā)展戰(zhàn)略的研究。此后，中國散裂中子源被列入國家“十一五”大科學(xué)裝置建設(shè)計劃。2006年，中國散裂中子源選址廣東東莞。
2011年，中國散裂中子源開始正式建設(shè)。2017年8月，首次質(zhì)子打靶，成功獲得中子束流；2018年3月，正式建成；2018年8月，正式通過國家驗收，投入運行。
散裂中子源裝置龐大，設(shè)備部件繁多，工藝復(fù)雜。“建設(shè)散裂中子源，很多技術(shù)都需要從頭探索。6年半時間就能建成，離不開關(guān)鍵核心技術(shù)的突破�！苯鸫簌i介紹。
快循環(huán)質(zhì)子同步加速器所用的25赫茲交流磁鐵，在我國屬首次研制。研制期間，遇到了超乎想象的技術(shù)難題。
鐵芯和線圈振動開裂、渦流發(fā)熱……如何解決這些經(jīng)驗之外的新問題？科研人員與合作單位聯(lián)合攻關(guān)，最終依靠自己的力量研制出合格的磁鐵�？蒲腥藛T還創(chuàng)新提出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場同步問題。
挑戰(zhàn)接踵而至——
高功率靶要用到鎢材，而鎢材不耐沖刷，需要在其外包覆一層鉭金屬。怎樣把鉭做到足夠薄，并提高鉭和鎢的結(jié)合力？
在零下253攝氏度左右低溫下工作的液氫慢化器，其焊接都是難度極大的薄壁焊接，如何保證可靠性？
中國散裂中子源的建設(shè)過程，也是自主攻關(guān)掌握核心關(guān)鍵技術(shù)的過程。金大鵬介紹，25赫茲交流磁鐵、高功率靶、液氫慢化器、中子探測器等多項關(guān)鍵核心技術(shù)突破以后，對其他領(lǐng)域的發(fā)展也產(chǎn)生了一定影響。
中國散裂中子源各項設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國近百家合作單位完成。通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，許多設(shè)備的研制達到國際先進水平，核心設(shè)備國產(chǎn)化率達90%以上，這不僅大大降低了裝置成本，還有力提升了國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平和制造能力。
金大鵬舉了個例子：由于工藝水平高、產(chǎn)品質(zhì)量好，中國散裂中子源靶體部件的制造單位，成功中標(biāo)了世界上第五臺脈沖式散裂中子源——歐洲散裂中子源的靶體部件。
2 研發(fā)過程中的技術(shù)突破有望為腫瘤治療帶來重要技術(shù)革新
位于地下17米的加速器隧道里，排列著各種顏色、連接各種管線的復(fù)雜設(shè)備。
科研人員使用氫氣產(chǎn)生負氫離子，并將它們在直線加速器里加速。當(dāng)它們的能量達到8千萬電子伏特時，將“飛奔”進入環(huán)形的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器。
一秒鐘之內(nèi)，就有25波負氫離子奔來。在這里，負氫離子將轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，并通過不斷“狂奔”、反復(fù)加速，將能量提高到16億電子伏特，速度提升到0.92倍光速。接近光速的質(zhì)子束被引出，去轟擊鎢靶，由此產(chǎn)生中子。
在加速器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)過程中，也產(chǎn)生了一些新技術(shù)成果，并已衍生出具體應(yīng)用，開花結(jié)果。
利用中國散裂中子源的射頻四極加速器技術(shù)突破，2020年8月，研究人員成功研制出我國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的加速器硼中子俘獲治療(BNCT)實驗裝置，可用于癌癥治療研究。這為我國醫(yī)用BNCT裝置整機國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，有望為腫瘤治療帶來重要技術(shù)革新。首臺臨床設(shè)備已在醫(yī)院安裝，預(yù)計2023年5月完成安裝調(diào)試。
中國散裂中子源正式運行并向國內(nèi)外科學(xué)家、工程技術(shù)人員、工業(yè)企業(yè)開放后，大科學(xué)裝置的綜合效應(yīng)日益顯現(xiàn)。
“中國散裂中子源在多個領(lǐng)域開展重大創(chuàng)新研究，包括對深海潛水器等大型工程部件進行殘余應(yīng)力和服役性能檢測等，為國家急需的許多高性能結(jié)構(gòu)材料攻關(guān)提供了關(guān)鍵技術(shù)平臺。在磁性材料、納米功能材料、高效催化劑、自旋電子學(xué)、有機太陽能薄膜電池、金屬玻璃、高分子聚合物、生物大分子等國際前沿科技研究中，也取得一大批成果�！标愌觽フf。
什么是殘余應(yīng)力？它是指在材料、部件加工、服役等過程中，保留在其內(nèi)部的應(yīng)力，可能導(dǎo)致工程部件的變形乃至失效。
深海潛水器的殼體是鈦合金焊接的。下潛海底萬米，要扛住巨大的海水壓強，焊接的可靠性至關(guān)重要。
“我們對它的焊接模擬件進行檢測，了解不同焊接工藝的殘余應(yīng)力參數(shù)，為殼體壽命預(yù)測、焊接工藝選擇提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐�！苯鸫簌i說，高鐵的車輪等大型高速運動工程部件將來也需要散裂中子源來驗證其殘余應(yīng)力參數(shù)。
作為粵港澳大灣區(qū)首個重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，中國散裂中子源的建成，為國內(nèi)科技工作者帶來了研究物質(zhì)的“利器”，特別是為港澳科學(xué)家提供了前所未有的便利。
香港大學(xué)黃明欣教授團隊研發(fā)的超強超韌的“超級鋼”，就是通過中國散裂中子源，來分析其成分、結(jié)構(gòu)，驗證了相關(guān)研究結(jié)果。
3 為前沿科學(xué)研究和國家重大需求提供先進研究平臺
橙色、紫色、藍色、淺藍、淺綠……走進靶站譜儀實驗大廳，一臺臺顏色各異的譜儀，以靶站為中心，宛如七色花的花瓣一般向外伸展排列。
中子產(chǎn)生后，經(jīng)過慢化，通過中子通道被引入譜儀。
“中子在譜儀中和樣品材料的原子核相互作用，產(chǎn)生散射、衍射、透射�！苯鸫簌i解釋說，中子就像派進去探查信息的偵察兵，我們可以根據(jù)它進去時的角度、能量，出來時的角度、能量等，經(jīng)過測量，反推回去，研究樣品的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)。
探微格物，中國散裂中子源為材料科學(xué)技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、新能源等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供有力支撐。目前，中國散裂中子源已完成8輪開放運行，全球注冊用戶超過3900人，完成課題800余項。
伴隨著國家重大戰(zhàn)略部署的推進、新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及國際前沿研究的需要，中國散裂中子源用戶數(shù)量快速增長，申請使用裝置的課題數(shù)快速增長。
中國散裂中子源面臨“升級”。其實，一期工程設(shè)計已經(jīng)預(yù)留了升級改造空間。根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃，中國散裂中子源的二期工程即將啟動。
“中國散裂中子源一共規(guī)劃有20條中子通道，能夠建設(shè)22臺中子譜儀�！苯鸫簌i向記者介紹，目前共有5臺譜儀已投入運行使用，其中包括一期工程國家投資建設(shè)的3臺譜儀，還有與高校、研究機構(gòu)合作建設(shè)的2臺用戶譜儀。另有6臺不同類型的合作譜儀正在建設(shè)、調(diào)試中，其中4臺預(yù)計今年年底將投入使用，滿足更多用戶的不同需求。
不同的譜儀，有不同的用途。
淺綠色的通用粉末衍射儀，主要用于研究物體的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在也用于開展小部件的殘余應(yīng)力測試。
剛投入使用不久的大氣中子輻照譜儀，已吸引國內(nèi)不少高科技企業(yè)將自家產(chǎn)品送來測試。研究人員使用高通量的中子加速電子元器件出現(xiàn)問題的進程，從而推動工藝迭代，確保電子元器件與系統(tǒng)性能高度可靠。
即將在今年年底投入使用的工程材料應(yīng)力衍射儀，可以在不破壞樣品的情況下，對高鐵的車輪、航空航天發(fā)動機葉片等設(shè)備的殘余應(yīng)力、金屬疲勞數(shù)據(jù)進行研究，一方面為改進工藝提供參考，另一方面也可以評估出部件既能保證安全又能保證經(jīng)濟性的使用里程和時間。
金大鵬介紹，目前投入使用的譜儀多為通用型譜儀。圍繞國家重大戰(zhàn)略部署、新興產(chǎn)業(yè)需求等，專門規(guī)劃了一批新的譜儀。正在建設(shè)中的譜儀，還有專門用來研究新能源電池的。
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，覆蓋廣大用戶各方面研究領(lǐng)域。同時，加速器打靶束流功率將從現(xiàn)在的140千瓦提高到500千瓦。這意味著，同等時間能產(chǎn)生更多中子，不僅能有效縮短實驗時間，還能使實驗分辨率更高。
“新的譜儀和實驗終端建成后，中國散裂中子源的設(shè)備研究能力將大幅提升，實驗精度和速度將大大提高，能夠測量更小的樣品、研究更快的動態(tài)過程，為前沿科學(xué)研究、國家重大需求和國民經(jīng)濟發(fā)展提供更先進的研究平臺。”陳延偉說。(中國紀(jì)檢監(jiān)察報)
