“火眼金睛”探究微觀世界
2019年08月12日09:27

  來源:中科院之聲

  在廣東東莞市大朗鎮一片鬱鬱蔥蔥的荔枝林里,坐落著我國重點建設的大科學裝置——中國散裂中子源(CSNS)。曆經10多年籌備、6年多的建設和大半年時間的開放運行,這個有“超級顯微鏡”之稱的“國之重器”,迎來了碩果纍纍的收穫季節。

  中國散裂中子源由中國科學院和廣東省共同建設,它使我國成為世界上第四個擁有脈衝式散裂中子源的國家。它在諸多領域具有廣泛應用前景,將對我國探索前沿科學問題、攻克產業關鍵核心技術、解決“卡脖子”問題等具有重要意義。它亦將成為正在建設的粵港澳大灣區國際科技創新中心的核心單元,為粵港澳大灣區科技發展和產業升級作出重大貢獻。

  深入討論 反複研究

  2018年8月23日,中國散裂中子源項目順利通過國家驗收,正式投入運行。諾貝爾獎獲得者、著名物理學家李政道獲悉後,給中國科學院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生發來祝賀,並衷心希望祖國科學家利用散裂中子源做出世界一流實驗成果,為發展先進科技立功。

  事實上,李政道先生對中國散裂中子源工程一直非常關注,早在本世紀初醞釀立項之時,便向國家有關部門推薦該項目,積極推動立項。楊振寧先生同樣對中國散裂中子源十分關心,曾在今年2月份專程前往東莞訪問。老一輩科學家為何對散裂中子源寄予如此期望?因為他們深知:“看見”是探索未知的強大力量。

  陳和生院士曾講過這樣一件事。1998年6月份,德國一輛城際快車意外出軌,傷亡慘重。最終調查發現,事故的元兇竟然是老化的車輪。發現這個元兇的就是英國的散裂中子源。陳和生解釋,無論是高鐵輪軌,還是飛機渦輪、機翼裡面都有應力,它決定了高鐵和飛機的使用壽命和安全性。但是,這個應力我們看不到、摸不著,對它的研究成了避免類似災難發生的關鍵。現在科學家已經可以在散裂中子源上研究賸餘應力,使高鐵和飛機變得更安全。

  散裂中子源是如何成為探索微觀世界的“超級顯微鏡”的?這要從微小而神奇的中子說起。

  眾所周知,X射線能拍攝人體的醫學影像。同時,在材料學、化學、生命科學等領域,科學家們也希望有一種工具,能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結構。中子散射技術就是這樣一種強有力的工具,能研究諸如DNA、蛋白質、飛機材料等內部微觀結構。

  陳和生告訴記者,中子的發現及應用是20世紀最重要的科技成就之一。由於中子不帶電、穿透性強,能分辨輕元素、同位素和近鄰元素,具有非破壞性,這些特性使得中子散射成為研究物質微觀結構和動力學性質的理想探針之一。

  例如,在能源材料領域,氫動力汽車無疑比以汽油為燃料的汽車更加節能環保。如何實現氫氣的穩定儲存?科學家希望把氫氣變成密度更高的固體。最簡單的辦法是給氫氣加壓,但存在容易引發爆炸的危險。還有其他辦法嗎?科學家用一種金屬-有機框架(MOF)材料,可以把氫氣吸進去,要用的時候再把氫氣釋放出來。中子散射能幫助科學家研究氫氣在金屬的什麼位置、什麼情況下可以更好地釋放。

  中子散射還是研究鋰電池的利器。大幅度提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關鍵,可以將鋰電池連同原位充放電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,鋰電池各個部分微觀結構和性能的變化,為改進和優化鋰電池的設計提供關鍵數據。

  既然中子散射的用處如此之大,如何獲得實驗用的中子?科學家們想到要建設一個類似於“中子工廠”的大科學裝置,源源不斷地產生中子,這就是散裂中子源。

  之前,世界上正在運行的脈衝式散裂中子源只有英國的ISIS、美國的SNS和日本的J-PARC。中國科學家意識到,只有建設自己的散裂中子源,才能擁有自己的“火眼金睛”,不需要依賴別人的“眼睛”去探索微觀世界。

  建設中國散裂中子源的建議,起源於上世紀90年代末期關於中國高能物理髮展戰略的研究。中科院高能物理研究所和中國原子能研究院的老科學家們指出了建設散裂中子源對國家科技發展的必要性。1999年9月份,高能物理研究所與原子能研究院向科技部提交建設散裂中子源的建議。2000年8月份,兩家單位正式提出國家重大科學工程——“多用途中子科學裝置脈衝強中子源”項目建議文件。

  經過相關領域科學家的深入討論和研究,散裂中子源被列入了國家“十一五”大科學裝置建設計劃。中科院高能物理研究所和物理研究所的科學家們開始著手設計和預製研究。

  2011年10月份,總投資23億元的中國散裂中子源裝置終於在廣東東莞奠基。

  中國速度 中國跨越

  深入地下17米處的CSNS加速器隧道,我們得以窺見這個“龐然大物”的真面目——它包括1台8000萬電子伏特的直線加速器、1台16億電子伏特的快循環同步加速器、1個靶站,以及一期3台供科學實驗用的中子散射譜儀等。

  “散裂中子源裝置不僅造價高,而且技術複雜,是各種高、精、尖設備組成的整體。”中科院高能物理研究所東莞分部(中國散裂中子源)副主任梁天驕介紹,裝置的工作原理是將質子加速到16億電子伏特,速度達到0.93倍光速,把質子束當成“子彈”,去轟擊原子係數很高的重金屬鎢靶,鎢原子核被撞擊出大量中子,科學家便通過特殊裝置利用中子,開展各種實驗。

  CSNS的建設攻克了許多核心技術難題。裝置各項設備的研製在全國近百家合作單位完成,許多設備的研製達到國內外先進水平,設備國產化率達到90%以上。

  事實上,CSNS的建設過程可謂排除萬難,從關鍵核心技術的掌握到設備安裝、工程管理,曆經重重挑戰。

  例如,快循環同步加速器的25Hz交流磁鐵在我國屬首次研製,期間遇到了超乎想像的技術挑戰,鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱都是以前經驗之外的新問題。“我們向美國、日本研究所專家請教,但他們只懂科學設計,關鍵技術掌握在國外大公司手中,不可能告訴我們。”中國散裂中子源工程副經理、加速器技術部主任傅世年回憶。

  於是,科研人員與工廠工程師咬緊牙關聯合攻關,6年間經過無數次失敗,改方案、換廠家,逐一攻破技術難關,終於靠自己的力量研製出合格的磁鐵。針對磁鐵磁場飽和這一難題,研發團隊還創新性地提出了諧振電源的諧波補償方法,解決了多台磁鐵之間的磁場同步問題,其效果優於日本散裂中子源。

  工程建設中遇到的最大挑戰,來自加速器隧道土建過程中發生的一次意外。2014年4月份,連續幾天的大暴雨讓加速器隧道嚴重滲水。要徹底解決滲水問題,必須在隧道外再建造一層防水隧道,這讓土建工程延誤了1年多,大大壓縮了設備安裝和調試時間。

  整個工程能否按原定工期竣工驗收?面對嚴峻的挑戰,工程領導決心“後牆不倒”,對國家承諾的竣工時間不能推遲,必須千方百計搶時間。

  當時採取的主要措施是,將原定在隧道里測試老練的設備先在地面大廳安裝調試和老練,將通用設施的安裝與隧道土建施工交叉並行。這樣做大大增加了工作量和工程調度的難度,並可能帶來事故風險。但工程團隊毫不畏懼,經過幾百個日日夜夜的奮戰,終於趕回了工期。“連除夕夜我們都是在隧道里度過的。”回憶起那段日子,傅世年的語氣中滿是自豪。

  在散裂中子源國際顧問委員會年度會議上,外國專家感歎散裂中子源工程建設的“中國速度”:“難以想像你們在短短的一年內完成了如此大量的工作。”

  2017年8月28日上午10時,CSNS靶站譜儀控製室內,科研人員凝視著屏幕,緊張待命。在陳和生一聲指令後,從加速器引出的質子束流首次打向金屬鎢靶,順利獲得中子束流。在場的工程人員激動地見證了這歷史性的一刻——中國散裂中子源首束中子產生,進入試運行!

  2018年秋天,中國散裂中子源全部工程建設任務高質量完成,填補了國內脈衝中子應用領域的空白,建成國際先進水平的散裂中子源裝置。

  中國散裂中子源國家驗收委員會專家認為,其性能全部達到或優於批複的驗收指標。同時認為,中國散裂中子源通過自主創新和集成創新,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相關產業的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。

  創新引擎 不負盛世

  2018年9月份,中國散裂中子源正式對全球用戶開放,開始用成果回饋社會。

  “對國內外用戶沒有區分,一視同仁。”陳和生介紹,用戶提交申請後,由專家組成的評委會將依據可行性與先進性分配實驗時間。

  在距東莞僅一個半小時車程的香港地區,許多大學“近水樓台先得月”,很快展開了相關研究。前不久,香港大學副教授黃明欣和自己的博士生一起前來,做了一項有關高強度鋼結構性能的實驗。“太方便了,就像在自家門口。”黃明欣說,他所研究的高強鋼是汽車應用的研究重點,既需要輕量化,又要提升汽車安全性。在此前的實驗中,他曾向日本散裂中子源申請機時,設計好實驗步驟,然後把材料寄到日本。等待對方做好實驗之後,再把數據傳回來。而今,他不再需要漫長的等待,在“家門口”就可以獲取所需重要參數信息。

  “CSNS啟動運行後,已收到國內外百餘團隊用戶實驗申請,上機時間供不應求。首輪開放運行期間,3台用戶譜儀共完成了40項用戶課題,取得了重要成果。”梁天驕介紹,已完成的課題覆蓋新型儲氫材料、鋰離子電池、新型超導材料、太陽能電池薄膜、軟物質、高性能金屬玻璃等研究內容,為解決新能源、新材料等諸多領域的微觀機理及關鍵技術應用難點提供了強有力的支援。

  今年2月份公佈的《粵港澳大灣區發展規劃綱要》,向全世界展示了我國建設粵港澳大灣區國際科技創新中心的宏偉藍圖。中國散裂中子源作為粵港澳大灣區首個重大科技基礎設施,正有力推動大灣區科技核心的形成,為實現這一美好藍圖插上了翅膀。

  依託散裂中子源,東莞鬆山湖高新區正規劃建設53.3平方公里的中子科學城,打造世界級科學基礎設施集群。“目前,圍繞散裂中子源集聚的科研平台正有序推進。鬆山湖材料實驗室一期方案已基本穩定,中科院物理所珠三角分部、粵港澳交叉科學研究中心已掛牌,成功招引首批10個高水平科研團隊,南方光源項目已開展預製研究。我們將全力推動中子科學城與深圳光明科學城、港深落馬洲河套地區攜手共建綜合性國家科學中心。”談到散裂中子源帶來的機遇,東莞鬆山湖高新區黨工委副書記、管委會主任歐陽南江充滿期待。

  發達國家的實踐經驗表明,以大科學工程為核心的科學園區將前沿基礎研究和高技術作為發動機和火車頭,逐漸發展成為區域創新高地和經濟增長極。它對周邊地區經濟、產業發展的輻射和拉動效應是時間越久,範圍越大、作用越顯著。

  “我們期待將國家大科學工程的強大科技輻射力與珠三角強勁的經濟實力結合起來,為粵港澳大灣區科技發展和產業升級作出重大貢獻。”陳和生說。事實上,散裂中子源正在惠及大灣區內眾多創新型企業。在鬆山湖高新區內,已經有企業成為散裂中子源相關實驗裝置的首批用戶,相關研究取得了重要實驗成果。

  展望未來,隨著中國散裂中子源下一階段更多用戶譜儀的建設,其作為國家創新發展引擎的作用將愈加凸顯。

  據介紹,除了首批建成的3台譜儀,目前正在積極籌劃“十四五”國家支援的後續譜儀建設項目,推動與粵港澳大灣區內相關大學和科研院所合作共建譜儀的建設。規劃的20台譜儀全部建成後,將分別用於材料科學、生物醫藥、電子信息、機械製造等領域,不僅可為相關傳統產業突破核心技術、實現升級改造提供支撐,更可帶動粵港澳大灣區引入大量新興產業資源,如新型功能性材料產業、生物醫藥產業、硼中子俘獲治癌、環境監測等,推動新興產業的興起和飛躍。

  參與建設的專家們信心十足地表示,中國散裂中子源建成恰逢“大科學裝置的盛世”,將肩負發展中國中子散射研究和應用的重任,擔當國家科技產業創新中心的核心裝置重託,打造國家創新發展的重要引擎。

  不管多難,從不埋怨

  2004年,我開始全時參加到散裂中子源工作中,主要從事靶站相關工作。靶站是散裂中子源產生中子的部分,相比之前我國已經有一些積累的質子加速器、中子譜儀等其他核心部分,靶站是國內首次設計與研製,可以說是從無到有,整個過程相當不易。

  困難首先是在設計上。靶站設計涉及強輻射環境下的物理、熱工、機械、材料、屏蔽、低溫、水冷、控製與遙控維護等多個專業方向,由於缺乏經驗和實驗條件,我們在靶站設計時碰到了很多問題,技術方案、參數難以抉擇。在確定靶站設計方案過程中,我親曆了技術方案3次大調整,每一次調整都需要大量的時間和精力重新計算和設計,但這也使我對不同專業方向有了更深入的理解。

  除了設計,工程上也困難重重。與我之前單純做科研不同,散裂中子源具有科研和工程的雙重屬性,既要考慮物理性能的先進性,也必須要考慮工程上的可實現性、工期和經費預算。靶站的大部分設備都是在國內首次研製,技術和工藝上的挑戰很多,我們通過樣機研製突破關鍵技術,通過物理設計與工程設計、加工工藝多次迭代不斷優化,提升了性能。

  同時,散裂中子源是一項異地建設工程,我們許多同事都遇到了異地工作、長期與家人分離的難題。去年春節,為了保障工程如期竣工驗收,散裂中子源的同事們都沒有放假,堅守在緊張的調試工作崗位。2011年工程開工時,孩子剛上初中,我大部分時間在東莞,每年在北京不到3個月,對孩子功課的輔導主要通過電話和微信。在我們獲得第一束中子那天,孩子已經上大學了。

  但是,無論經曆多少困難,大家都不會有怨言。對於科學界做大裝置的人來說,這些都已習慣了。事實上,能夠參加到這樣一項服務國家戰略需求的大科學工程中,我感到非常難得。我清楚地記得2017年8月28日首次獲得中子束流那天,感覺是多麼興奮、多麼自豪。之前我們預想過可能發生的很多意外情況,外國專家也講“你們要有心理準備,說不定好幾天都看不到中子”,但沒想到非常順利,一次就成功了!

  建設中國自己的散裂中子源,是許多老一代科學家一直以來的夢想。在他們的帶領下,在幾代人的共同努力下,我們終於實現了這個夢想。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽