中国“超级显微镜”开启新一轮微观世界探秘之旅

2019-11-25 18:54:53  

中国散裂中子源位于广东省东莞市大朗镇。新华社记者刘大伟拍摄

新华社广州9月26日电(记者全晓舒、王攀、景怀桥、刘仪伟)经过两个多月的夏季维护,位于广东省东莞市的中国散裂中子源于26日开始新一轮运行。在接下来的四个月里,研究人员将稳步提高这台巨型“超级显微镜”的光束功率到80千瓦,并利用它来探测更多神奇材料的微观结构。

中国科学院高能物理研究所东莞分院中子科学系副主任张军荣表示,新一轮开放吸引的常规课题申请数量已达164个,比上一轮大幅增加,有57个实验获得批准,其中1个来自国外,5个来自港澳。实验对象主要包括磁性材料、量子材料、锂电池材料、页岩、催化材料、高强度钢、高性能合金等

中国散裂中子源由中国科学院高能物理研究所建造。共建单位是中国科学院物理研究所。建设始于2011年9月,总投资约23亿元。它于2018年8月通过国家验收,并正式投入运行。它包括一个线性加速器、一个快速循环同步加速器、一个目标站、三个一期中子光谱仪和辅助设施。

探索材料的理想“探针”

人类探索微观世界的过程是显微镜的“升级史”。光学显微镜的诞生使人类第一次看到了细胞和细菌的世界。电子显微镜的分辨率大约是光学显微镜的1000倍,这可以帮助科学家研究更小的病毒。随着粒子物理学的兴起,对物质的研究已经深入到原子内部,“超级显微镜”散裂中子源应运而生。

中国散裂中子源快速循环同步加速器。新华社记者刘大伟拍摄

中子不容易被带电质子和电子阻挡,因为它们不带电,并且比其他粒子更容易穿透物质。中子束击中研究中的样品,它们中的大部分会毫无阻碍地通过,但是一些中子会与样品的原子核相互作用,它们的运动方向也会改变,四处散射。科学家可以通过测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化来精确推断被测样品的结构。

中国科学院高能研究所东莞分院副主任金大鹏表示,例如,在能源材料领域,氢动力汽车比汽油动力汽车更节能、更环保。科学家希望以更高密度的固体形式储存氢气,但是给氢气加压很容易导致爆炸。因此,科学家试图使用金属有机框架材料,这种材料在使用时可以吸收氢并释放氢。中子散射可以帮助科学家研究氢在哪里和什么条件下更好地储存和释放在这种材料中。

正是利用中子在探测材料方面的优势,中国散裂中子源在前三个科学实验中子谱仪中取得了丰硕的研究成果。

“从去年9月到今年6月,中国的散裂中子源已经运行了两轮。用户踊跃申请,供不应求。共完成了101个用户主题,其中包括来自香港和海外的11个。”张军荣说。

香港大学的用户正在进行实验。中国科学院高能物理研究所东莞分院照片

今年上半年,从事材料研究的香港大学副教授黄明新利用中国散裂中子源进行了高强度钢结构性能试验。高强度钢作为汽车工业中的一种热材料,应该是轻、强、安全的。黄明新对他的团队开发的超级分布钢进行了详细的试验,发现了一种新的位错机制,为设计具有较高屈服强度和延性的钢材提供了重要参考。

黄明欣不仅对实验结果感到满意,而且对散裂中子源的临近所带来的便利深感感动。在此之前,当他从日本散裂中子源申请一台机器时,他必须先设计实验程序,然后把材料送到日本,实验结束后另一方会把数据发回给他。现在,从香港,位于东莞大朗镇的中国散裂中子源可以在一个半小时内用汽车到达,“就像在你自己的房子前面一样”。

“接下来,我们希望用三到四年的时间计划和建造另外5到7个用户光谱仪,包括工程材料衍射仪、大气中子辐照光谱仪、全散射多物理光谱仪等。”金大鹏说道。

难以置信的调试难度和速度

中国散裂中子源是继英国、美国和日本之后世界上第四个脉冲散裂中子源。尽管建造得很晚,但中国研究人员对测试设备的高效率感到惊讶。

功率是衡量散裂中子源性能的重要指标。在验收时,中国散裂中子源的功率达到20千瓦,预计在三年内达到100千瓦的设计功率。

工程师检查中国散裂中子源直线加速器的运行情况。新华社记者刘大伟拍摄

在正常情况下,中子紧紧地束缚在原子核内。尽管自然界中存在自由中子,但它们的寿命很短,很难收集。散裂中子源是一个巨大的“中子工厂”。功率越高,产生的中子越多,样品散射的中子信号越强,实验速度越快,获得的数据质量越好金大鹏说道。

然而,整个中子源的工作功率只能逐渐增加。金大鹏解释道:“我们将上升10千瓦、10千瓦、甚至5千瓦和5千瓦,因为这取决于在较高功率负载下所有部件的运行是否与设计一致,以及加速器、目标站和分光计是否能正常工作。”

中国散裂中子源物理小组负责加速器的总体设计。以下对应十几个硬件系统,涉及数千套设备。在过去的一年中,他们在每个功率水平上反复调整这些器件的参数,以找到最佳组合。

据中国散裂中子源物理集团的研究员徐守言称,他们需要将束流时间误差控制在纳秒级,一纳秒相当于十亿分之一秒,这就要求他们的调试要比测量仪器更精确。“但是参数的组合太多了。数百套设备的误差可能会导致任何小问题。”

中国的散裂中子源操作者正在检修快速循环同步加速器。新华社记者刘大伟拍摄

英国和日本的散裂中子源加速器经过10年的调试才达到设计目标。“在调试开始时,我们发现环形加速器上的两个设备不同步,相差100微秒,即0.1毫秒。根据国际同行的经验,即使需要一个月才能找到问题的根源,这也是很正常的。幸运的是,那天我们找到了错误的原因。”徐寿言说道。

"因为我们没有走别人走的弯路,中国人更努力地工作."徐寿燕笑着解释道,“加班是很常见的。我连续工作了3067个小时,没有休息。那时,我一点也不困。过去,计算机只能模拟计算。当我们真正看到设备运行的每一步都符合预期时,我们非常激动,迫不及待地想测试下一步。”

科学家们最终希望将中国散裂中子源的功率从100千瓦提高到500千瓦。为此,他们在最初设计阶段就为进一步翻新和升级预留了空间。目前,研究人员已经开始设计加速器升级的第二阶段。

“我们学习物理的最大乐趣是能够不断探索和接近事物的基本原理。散裂中子源是帮助我们实现这个梦想的平台。”徐寿言说道。

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