“火眼金睛”探究微观世界

“火眼金睛”探究微观世界
2019年08月12日 09:27 新浪科技综合

  来源:中科院之声

  在广东东莞市大朗镇一片郁郁葱葱的荔枝林里,坐落着我国重点建设的大科学装置——中国散裂中子源(CSNS)。历经10多年筹备、6年多的建设和大半年时间的开放运行,这个有“超级显微镜”之称的“国之重器”,迎来了硕果累累的收获季节。

  中国散裂中子源由中国科学院和广东省共同建设,它使我国成为世界上第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。它在诸多领域具有广泛应用前景,将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”问题等具有重要意义。它亦将成为正在建设的粤港澳大湾区国际科技创新中心的核心单元,为粤港澳大湾区科技发展和产业升级作出重大贡献。

  深入讨论 反复研究

  2018年8月23日,中国散裂中子源项目顺利通过国家验收,正式投入运行。诺贝尔奖获得者、著名物理学家李政道获悉后,给中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生发来祝贺,并衷心希望祖国科学家利用散裂中子源做出世界一流实验成果,为发展先进科技立功。

  事实上,李政道先生对中国散裂中子源工程一直非常关注,早在本世纪初酝酿立项之时,便向国家有关部门推荐该项目,积极推动立项。杨振宁先生同样对中国散裂中子源十分关心,曾在今年2月份专程前往东莞访问。老一辈科学家为何对散裂中子源寄予如此期望?因为他们深知:“看见”是探索未知的强大力量。

  陈和生院士曾讲过这样一件事。1998年6月份,德国一辆城际快车意外出轨,伤亡惨重。最终调查发现,事故的元凶竟然是老化的车轮。发现这个元凶的就是英国的散裂中子源。陈和生解释,无论是高铁轮轨,还是飞机涡轮、机翼里面都有应力,它决定了高铁和飞机的使用寿命和安全性。但是,这个应力我们看不到、摸不着,对它的研究成了避免类似灾难发生的关键。现在科学家已经可以在散裂中子源上研究剩余应力,使高铁和飞机变得更安全。

  散裂中子源是如何成为探索微观世界的“超级显微镜”的?这要从微小而神奇的中子说起。

  众所周知,X射线能拍摄人体的医学影像。同时,在材料学、化学、生命科学等领域,科学家们也希望有一种工具,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。中子散射技术就是这样一种强有力的工具,能研究诸如DNA、蛋白质、飞机材料等内部微观结构。

  陈和生告诉记者,中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。由于中子不带电、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特性使得中子散射成为研究物质微观结构和动力学性质的理想探针之一。

  例如,在能源材料领域,氢动力汽车无疑比以汽油为燃料的汽车更加节能环保。如何实现氢气的稳定储存?科学家希望把氢气变成密度更高的固体。最简单的办法是给氢气加压,但存在容易引发爆炸的危险。还有其他办法吗?科学家用一种金属-有机框架(MOF)材料,可以把氢气吸进去,要用的时候再把氢气释放出来。中子散射能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。

  中子散射还是研究锂电池的利器。大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,可以将锂电池连同原位充放电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,锂电池各个部分微观结构和性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。

  既然中子散射的用处如此之大,如何获得实验用的中子?科学家们想到要建设一个类似于“中子工厂”的大科学装置,源源不断地产生中子,这就是散裂中子源。

  之前,世界上正在运行的脉冲式散裂中子源只有英国的ISIS、美国的SNS和日本的J-PARC。中国科学家意识到,只有建设自己的散裂中子源,才能拥有自己的“火眼金睛”,不需要依赖别人的“眼睛”去探索微观世界。

  建设中国散裂中子源的建议,起源于上世纪90年代末期关于中国高能物理发展战略的研究。中科院高能物理研究所和中国原子能研究院的老科学家们指出了建设散裂中子源对国家科技发展的必要性。1999年9月份,高能物理研究所与原子能研究院向科技部提交建设散裂中子源的建议。2000年8月份,两家单位正式提出国家重大科学工程——“多用途中子科学装置脉冲强中子源”项目建议文件。

  经过相关领域科学家的深入讨论和研究,散裂中子源被列入了国家“十一五”大科学装置建设计划。中科院高能物理研究所和物理研究所的科学家们开始着手设计和预制研究。

  2011年10月份,总投资23亿元的中国散裂中子源装置终于在广东东莞奠基。

  中国速度 中国跨越

  深入地下17米处的CSNS加速器隧道,我们得以窥见这个“庞然大物”的真面目——它包括1台8000万电子伏特的直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环同步加速器、1个靶站,以及一期3台供科学实验用的中子散射谱仪等。

  “散裂中子源装置不仅造价高,而且技术复杂,是各种高、精、尖设备组成的整体。”中科院高能物理研究所东莞分部(中国散裂中子源)副主任梁天骄介绍,装置的工作原理是将质子加速到16亿电子伏特,速度达到0.93倍光速,把质子束当成“子弹”,去轰击原子系数很高的重金属钨靶,钨原子核被撞击出大量中子,科学家便通过特殊装置利用中子,开展各种实验。

  CSNS的建设攻克了许多核心技术难题。装置各项设备的研制在全国近百家合作单位完成,许多设备的研制达到国内外先进水平,设备国产化率达到90%以上。

  事实上,CSNS的建设过程可谓排除万难,从关键核心技术的掌握到设备安装、工程管理,历经重重挑战。

  例如,快循环同步加速器的25Hz交流磁铁在我国属首次研制,期间遇到了超乎想象的技术挑战,铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热都是以前经验之外的新问题。“我们向美国、日本研究所专家请教,但他们只懂科学设计,关键技术掌握在国外大公司手中,不可能告诉我们。”中国散裂中子源工程副经理、加速器技术部主任傅世年回忆。

  于是,科研人员与工厂工程师咬紧牙关联合攻关,6年间经过无数次失败,改方案、换厂家,逐一攻破技术难关,终于靠自己的力量研制出合格的磁铁。针对磁铁磁场饱和这一难题,研发团队还创新性地提出了谐振电源的谐波补偿方法,解决了多台磁铁之间的磁场同步问题,其效果优于日本散裂中子源。

  工程建设中遇到的最大挑战,来自加速器隧道土建过程中发生的一次意外。2014年4月份,连续几天的大暴雨让加速器隧道严重渗水。要彻底解决渗水问题,必须在隧道外再建造一层防水隧道,这让土建工程延误了1年多,大大压缩了设备安装和调试时间。

  整个工程能否按原定工期竣工验收?面对严峻的挑战,工程领导决心“后墙不倒”,对国家承诺的竣工时间不能推迟,必须千方百计抢时间。

  当时采取的主要措施是,将原定在隧道里测试老练的设备先在地面大厅安装调试和老练,将通用设施的安装与隧道土建施工交叉并行。这样做大大增加了工作量和工程调度的难度,并可能带来事故风险。但工程团队毫不畏惧,经过几百个日日夜夜的奋战,终于赶回了工期。“连除夕夜我们都是在隧道里度过的。”回忆起那段日子,傅世年的语气中满是自豪。

  在散裂中子源国际顾问委员会年度会议上,外国专家感叹散裂中子源工程建设的“中国速度”:“难以想象你们在短短的一年内完成了如此大量的工作。”

  2017年8月28日上午10时,CSNS靶站谱仪控制室内,科研人员凝视着屏幕,紧张待命。在陈和生一声指令后,从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶,顺利获得中子束流。在场的工程人员激动地见证了这历史性的一刻——中国散裂中子源首束中子产生,进入试运行!

  2018年秋天,中国散裂中子源全部工程建设任务高质量完成,填补了国内脉冲中子应用领域的空白,建成国际先进水平的散裂中子源装置。

  中国散裂中子源国家验收委员会专家认为,其性能全部达到或优于批复的验收指标。同时认为,中国散裂中子源通过自主创新和集成创新,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相关产业的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。

  创新引擎 不负盛世

  2018年9月份,中国散裂中子源正式对全球用户开放,开始用成果回馈社会。

  “对国内外用户没有区分,一视同仁。”陈和生介绍,用户提交申请后,由专家组成的评委会将依据可行性与先进性分配实验时间。

  在距东莞仅一个半小时车程的香港地区,许多大学“近水楼台先得月”,很快展开了相关研究。前不久,香港大学副教授黄明欣和自己的博士生一起前来,做了一项有关高强度钢结构性能的实验。“太方便了,就像在自家门口。”黄明欣说,他所研究的高强钢是汽车应用的研究重点,既需要轻量化,又要提升汽车安全性。在此前的实验中,他曾向日本散裂中子源申请机时,设计好实验步骤,然后把材料寄到日本。等待对方做好实验之后,再把数据传回来。而今,他不再需要漫长的等待,在“家门口”就可以获取所需重要参数信息。

  “CSNS启动运行后,已收到国内外百余团队用户实验申请,上机时间供不应求。首轮开放运行期间,3台用户谱仪共完成了40项用户课题,取得了重要成果。”梁天骄介绍,已完成的课题覆盖新型储氢材料、锂离子电池、新型超导材料、太阳能电池薄膜、软物质、高性能金属玻璃等研究内容,为解决新能源、新材料等诸多领域的微观机理及关键技术应用难点提供了强有力的支持。

  今年2月份公布的《粤港澳大湾区发展规划纲要》,向全世界展示了我国建设粤港澳大湾区国际科技创新中心的宏伟蓝图。中国散裂中子源作为粤港澳大湾区首个重大科技基础设施,正有力推动大湾区科技核心的形成,为实现这一美好蓝图插上了翅膀。

  依托散裂中子源,东莞松山湖高新区正规划建设53.3平方公里的中子科学城,打造世界级科学基础设施集群。“目前,围绕散裂中子源集聚的科研平台正有序推进。松山湖材料实验室一期方案已基本稳定,中科院物理所珠三角分部、粤港澳交叉科学研究中心已挂牌,成功招引首批10个高水平科研团队,南方光源项目已开展预制研究。我们将全力推动中子科学城与深圳光明科学城、港深落马洲河套地区携手共建综合性国家科学中心。”谈到散裂中子源带来的机遇,东莞松山湖高新区党工委副书记、管委会主任欧阳南江充满期待。

  发达国家的实践经验表明,以大科学工程为核心的科学园区将前沿基础研究和高技术作为发动机和火车头,逐渐发展成为区域创新高地和经济增长极。它对周边地区经济、产业发展的辐射和拉动效应是时间越久,范围越大、作用越显著。

  “我们期待将国家大科学工程的强大科技辐射力与珠三角强劲的经济实力结合起来,为粤港澳大湾区科技发展和产业升级作出重大贡献。”陈和生说。事实上,散裂中子源正在惠及大湾区内众多创新型企业。在松山湖高新区内,已经有企业成为散裂中子源相关实验装置的首批用户,相关研究取得了重要实验成果。

  展望未来,随着中国散裂中子源下一阶段更多用户谱仪的建设,其作为国家创新发展引擎的作用将愈加凸显。

  据介绍,除了首批建成的3台谱仪,目前正在积极筹划“十四五”国家支持的后续谱仪建设项目,推动与粤港澳大湾区内相关大学和科研院所合作共建谱仪的建设。规划的20台谱仪全部建成后,将分别用于材料科学、生物医药、电子信息、机械制造等领域,不仅可为相关传统产业突破核心技术、实现升级改造提供支撑,更可带动粤港澳大湾区引入大量新兴产业资源,如新型功能性材料产业、生物医药产业、硼中子俘获治癌、环境监测等,推动新兴产业的兴起和飞跃。

  参与建设的专家们信心十足地表示,中国散裂中子源建成恰逢“大科学装置的盛世”,将肩负发展中国中子散射研究和应用的重任,担当国家科技产业创新中心的核心装置重托,打造国家创新发展的重要引擎。

  不管多难,从不埋怨

  2004年,我开始全时参加到散裂中子源工作中,主要从事靶站相关工作。靶站是散裂中子源产生中子的部分,相比之前我国已经有一些积累的质子加速器、中子谱仪等其他核心部分,靶站是国内首次设计与研制,可以说是从无到有,整个过程相当不易。

  困难首先是在设计上。靶站设计涉及强辐射环境下的物理、热工、机械、材料、屏蔽、低温、水冷、控制与遥控维护等多个专业方向,由于缺乏经验和实验条件,我们在靶站设计时碰到了很多问题,技术方案、参数难以抉择。在确定靶站设计方案过程中,我亲历了技术方案3次大调整,每一次调整都需要大量的时间和精力重新计算和设计,但这也使我对不同专业方向有了更深入的理解。

  除了设计,工程上也困难重重。与我之前单纯做科研不同,散裂中子源具有科研和工程的双重属性,既要考虑物理性能的先进性,也必须要考虑工程上的可实现性、工期和经费预算。靶站的大部分设备都是在国内首次研制,技术和工艺上的挑战很多,我们通过样机研制突破关键技术,通过物理设计与工程设计、加工工艺多次迭代不断优化,提升了性能。

  同时,散裂中子源是一项异地建设工程,我们许多同事都遇到了异地工作、长期与家人分离的难题。去年春节,为了保障工程如期竣工验收,散裂中子源的同事们都没有放假,坚守在紧张的调试工作岗位。2011年工程开工时,孩子刚上初中,我大部分时间在东莞,每年在北京不到3个月,对孩子功课的辅导主要通过电话和微信。在我们获得第一束中子那天,孩子已经上大学了。

  但是,无论经历多少困难,大家都不会有怨言。对于科学界做大装置的人来说,这些都已习惯了。事实上,能够参加到这样一项服务国家战略需求的大科学工程中,我感到非常难得。我清楚地记得2017年8月28日首次获得中子束流那天,感觉是多么兴奋、多么自豪。之前我们预想过可能发生的很多意外情况,外国专家也讲“你们要有心理准备,说不定好几天都看不到中子”,但没想到非常顺利,一次就成功了!

  建设中国自己的散裂中子源,是许多老一代科学家一直以来的梦想。在他们的带领下,在几代人的共同努力下,我们终于实现了这个梦想。

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