位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)的中國(guó)散裂中子源。新華社記者劉大偉攝
新華社廣州9月26日電（記者全曉書(shū)、王攀、荊淮僑、劉藝煒）經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的暑期檢修，坐落在廣東省東莞市的中國(guó)散裂中子源26日開(kāi)始新一輪開(kāi)放運(yùn)行。在接下來(lái)的四個(gè)月里，科研人員要將這臺(tái)巨型“超級(jí)顯微鏡”的束流功率穩(wěn)步提升到80千瓦，并用它來(lái)探測(cè)更多神奇材料的微觀結(jié)構(gòu)。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞分部中子科學(xué)部副主任張俊榮介紹，新一輪開(kāi)放吸引的常規(guī)課題申請(qǐng)數(shù)量達(dá)164項(xiàng)，比上一輪大幅增長(zhǎng)，57項(xiàng)獲批開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，其中1項(xiàng)來(lái)自國(guó)外，5項(xiàng)來(lái)自香港和澳門(mén)。“實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要涉及磁性材料、量子材料、鋰電池材料、頁(yè)巖、催化材料、高強(qiáng)鋼、高性能合金等。”
中國(guó)散裂中子源由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承建，共建單位為中國(guó)科學(xué)院物理研究所，于2011年9月開(kāi)工建設(shè)，總投資約23億元，2018年8月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)行。它包括一臺(tái)直線加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站，一期三臺(tái)中子譜儀以及附屬設(shè)施。
探究材料的理想“探針”
人類(lèi)探求微觀世界的過(guò)程，就是一部顯微鏡“升級(jí)史”。光學(xué)顯微鏡的誕生，使人類(lèi)第一次看到了細(xì)胞和細(xì)菌的世界；而電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡的分辨率還要高1000倍左右，可以幫助科學(xué)家研究更小的病毒。隨著粒子物理的興起，人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的研究已經(jīng)深入到原子內(nèi)部，“超級(jí)顯微鏡”散裂中子源便應(yīng)運(yùn)而生。
中國(guó)散裂中子源的快循環(huán)同步加速器。新華社記者劉大偉攝
中子由于不帶電，不易受到帶電質(zhì)子和電子的阻礙，能比其他粒子更為輕松地穿透物質(zhì)。中子束打到被研究的樣品上，大多數(shù)會(huì)不受任何阻礙而直接穿過(guò)，但有些中子會(huì)與樣品的原子核發(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”。科學(xué)家通過(guò)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被測(cè)樣品的結(jié)構(gòu)。
中科院高能所東莞分部副主任金大鵬舉例說(shuō)，在能源材料領(lǐng)域，氫動(dòng)力汽車(chē)比以汽油為燃料的汽車(chē)更加節(jié)能環(huán)保，科學(xué)家希望以密度更高的固體形式存儲(chǔ)氫，但是給氫氣加壓又容易引發(fā)爆炸，于是，科學(xué)家就嘗試用一種金屬—有機(jī)框架（MOF）材料，它可以把氫氣吸進(jìn)去，用的時(shí)候再把氫氣釋放出來(lái)。中子散射可以幫助科學(xué)家研究氫氣在這種材料的什么位置、以及什么情況下更好地儲(chǔ)存和釋放出來(lái)。
正是利用了中子在探測(cè)物質(zhì)材料方面的優(yōu)勢(shì)，中國(guó)散裂中子源首批建設(shè)的三臺(tái)供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子譜儀，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。
“從去年9月至今年6月，中國(guó)散裂中子源先后進(jìn)行兩輪開(kāi)放運(yùn)行，用戶申請(qǐng)十分踴躍，機(jī)時(shí)供不應(yīng)求，共完成用戶課題101個(gè)，其中來(lái)自香港地區(qū)以及國(guó)外的用戶課題11個(gè)。”張俊榮說(shuō)。
香港大學(xué)用戶正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞分部供圖
今年上半年，從事材料研究的香港大學(xué)黃明欣副教授就利用中國(guó)散裂中子源做了一項(xiàng)有關(guān)高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)。高強(qiáng)鋼作為汽車(chē)行業(yè)的熱門(mén)材料，既要輕又要結(jié)實(shí)安全。黃明欣對(duì)其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的超級(jí)配分鋼進(jìn)行了細(xì)致測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了新的位錯(cuò)機(jī)理，為設(shè)計(jì)更高屈服強(qiáng)度和延展率的鋼材料提供了重要參考。
黃明欣不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分滿意，而且對(duì)散裂中子源近在咫尺帶來(lái)的便捷感觸頗深。此前，他曾向日本散裂中子源申請(qǐng)機(jī)時(shí)，要先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟，然后把材料寄到日本，對(duì)方做完實(shí)驗(yàn)后再把數(shù)據(jù)回傳給他。現(xiàn)在，從香港出發(fā)，一個(gè)半小時(shí)車(chē)程就能到達(dá)位于東莞大朗鎮(zhèn)的中國(guó)散裂中子源，“就像在自家門(mén)口”。
“接下來(lái)，我們希望用三到四年時(shí)間，再規(guī)劃建設(shè)5到7臺(tái)用戶譜儀，包括工程材料衍射儀、大氣中子輻照譜儀、全散射多物理譜儀等。”金大鵬說(shuō)。
不可思議的調(diào)試難度和速度
中國(guó)散裂中子源是繼英、美、日之后，世界第四臺(tái)脈沖散裂中子源。雖然建成較晚，但中國(guó)科研人員對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高效率調(diào)試卻令國(guó)外同行嘖嘖驚嘆。
功率是衡量散裂中子源性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。驗(yàn)收時(shí)，中國(guó)散裂中子源的功率達(dá)到20千瓦，預(yù)期三年內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)功率100千瓦。
工程師在中國(guó)散裂中子源檢查直線加速器工作情況。新華社記者劉大偉攝
在正常狀態(tài)下，中子被緊緊束縛在原子核內(nèi)，自然界中盡管存在自由中子，但壽命很短且不易收集，散裂中子源正是一座巨大的“中子工廠”。“功率越高，產(chǎn)生的中子就越多，樣品散射的中子信號(hào)就越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)速度就會(huì)更快，實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量也會(huì)更好。”金大鵬說(shuō)。
但是，整個(gè)中子源的運(yùn)行功率只能逐步提升。金大鵬解釋說(shuō)：“我們是十千瓦、十千瓦， 甚至五千瓦、五千瓦地往上提升，因?yàn)橐丛诟叩墓β守?fù)荷下所有部件的運(yùn)行是否和設(shè)計(jì)一致，要觀察加速器、靶站、譜儀能不能很好地工作。”
中國(guó)散裂中子源物理組負(fù)責(zé)加速器的總體設(shè)計(jì)，下面對(duì)應(yīng)著十幾個(gè)硬件系統(tǒng)，涉及幾千套設(shè)備。過(guò)去一年里，他們?cè)诿恳粋€(gè)功率水平上都對(duì)這些設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)調(diào)試，以求找到最優(yōu)的組合。
據(jù)中國(guó)散裂中子源物理組科研人員許守彥介紹，他們要把束流時(shí)間誤差控制在納秒級(jí)別，一納秒相當(dāng)于十億分之一秒，這就要求他們的調(diào)試比測(cè)量?jī)x器還精確。“但參數(shù)組合實(shí)在太多了，任何一個(gè)小問(wèn)題都可能是成百上千套設(shè)備的誤差混合在一起產(chǎn)生的。”
中國(guó)散裂中子源運(yùn)行管理人員在檢修快循環(huán)同步加速器。新華社記者劉大偉攝
英國(guó)和日本的散裂中子源加速器都經(jīng)歷十年調(diào)試才達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。“最開(kāi)始調(diào)試時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)環(huán)形加速器上有兩個(gè)設(shè)備不同步，差了100微秒，也就是0.1毫秒。根據(jù)國(guó)際同行的經(jīng)驗(yàn)，就算花上一個(gè)月去找問(wèn)題根源，也很正常。幸運(yùn)的是，我們當(dāng)天就找到了引發(fā)誤差的原因。”許守彥說(shuō)。
“因?yàn)閯e人走過(guò)的彎路我們沒(méi)有走，還有就是中國(guó)人干活更拼一些。”許守彥笑著解釋說(shuō)，“加班加點(diǎn)是常事，我曾經(jīng)連續(xù)工作過(guò)三十六七個(gè)小時(shí)不休息，當(dāng)時(shí)一點(diǎn)都不困。以前只能在電腦上模擬演算，當(dāng)真正看到設(shè)備運(yùn)行每一步都達(dá)到了預(yù)期，真的非常興奮，迫不及待想要進(jìn)行下一步測(cè)試。”
科學(xué)家們最終希望將中國(guó)散裂中子源的功率從100千瓦提高到500千瓦。為此，他們?cè)诔跏荚O(shè)計(jì)階段就預(yù)留了進(jìn)一步改造和提升的空間。目前，科研人員已經(jīng)著手進(jìn)行加速器二期升級(jí)的設(shè)計(jì)。
“我們學(xué)物理，最大的樂(lè)趣就是能夠不斷探索、不斷接近事物的本質(zhì)原理，散裂中子源是幫助我們實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想的平臺(tái)。”許守彥說(shuō)。
