中國散裂中子源 探索微觀世界的“超級顯微鏡”
在廣東(dong) 東(dong) 莞市鬆山湖科學城,緊鄰高速公路,有一片依山而建,造型獨特的建築群,山坡上矗立著 “中國散裂中子源”幾個(ge) 大字。《國之重器 硬核所在》,一起走近這個(ge) 被稱為(wei) 超級顯微鏡的國之重器。
物質由分子和原子組成,原子核又包含了中子和質子。中子不帶電、穿透性強,能分辨輕元素、同位素和近鄰元素,是科學家探索微觀世界的理想探針。
當中子與(yu) 被研究對象的原子核相互作用而改變運動方向時,科學家通過分析散射中子的軌跡、能量和動量的變化,就能反推出物質的結構。這就好像我們(men) 不斷往一張看不見的網上扔彈珠,有的彈珠穿網而過,有的則打在網上,彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡,就能大致推測出網的形狀;如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強,就能把這張網精確地描繪出來,甚至推斷其材質。
散裂中子源就是這樣一座生產(chan) 、發射彈珠的 “超級工廠”。它的原理是,先把質子加速到一定的能量,再把質子束當成“炮彈”,去轟擊重金屬靶從(cong) 而產(chan) 生大量中子。科學家通過特殊裝置“操控”中子,用中子做探針觀察微觀世界,成為(wei) 研究物質靜態微觀結構和動力學機製的“超級顯微鏡”,這對解決(jue) 國家重大戰略需求和前沿科學諸多領域的瓶頸問題有著重要意義(yi) 。
速調管研製成功
散裂中子源開啟加速跑
2023年,中國散裂中子源運行超過5000小時,在新能源、合金、高分子、信息材料等領域創造出一批源頭創新成果。為(wei) 了滿足更多更高的用戶需求,中國散裂中子源二期工程建設也即將啟動,關(guan) 鍵設備的研製目前正在緊張進行中。
在散裂中子源科學中心的實驗室裏,近日成功研製的關(guan) 鍵核心設備——首台全國產(chan) 化P波段大功率速調管,經過連續24小時無故障運行,全部性能指標均達到或超過設計要求,順利通過驗收。至此,中國散裂中子源二期工程關(guan) 鍵加速器核心設備都擁有完全自主知識產(chan) 權,整體(ti) 國產(chan) 化率已接近100%。
研發團隊成員劉華昌表示,速調管功率源由多個(ge) 關(guan) 鍵部件和係統組成,用於(yu) 將電功率轉化為(wei) 高頻微波功率,為(wei) 粒子束流提供加速動力。它是中國散裂中子源二期工程中,加速器打靶束流功率從(cong) 100千瓦提升到500千瓦的關(guan) 鍵設備之一。
中國散裂中子源科學中心加速器技術部副主任 劉華昌:我們(men) 的一期4台這樣的設備,能夠將離子的能量從(cong) 3兆電子伏特加速到80兆電子伏特,對應的離子速度,大概是不到0.4倍的光速。而我們(men) 二期會(hui) 增加大概有20台這樣的設備,將離子的速度進一步從(cong) 0.4提高到0.65倍的光速。
這就好比汽車的發動機,將化學燃料轉化為(wei) 機械動能,驅動汽車前進。由於(yu) 二期工程是在一期的基礎之上升級而來,功率五倍的提升完全靠束流的流強提升,需要采用超導腔將直線加速器的能量大幅提升,這對速調管的性能和指標提出了更高的要求。當時,這種設備國內(nei) 尚無研發和製造能力,一期工程隻能選擇進口,沒想到卻給如期完工,包括後續穩定運行帶來了一係列的影響。
中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生:一期用的4台是從(cong) 美國進口的,最開始調束之前就成為(wei) 我們(men) 的一個(ge) 瓶頸,這4台速調管返回美國重新維修了五次,都發現大的質量問題。從(cong) 那之後,也結合高能所的研究方向,我們(men) 就開始國產(chan) 化自主技術的研究。
大功率速調管這種電真空器件,零部件數以百計,涉及多個(ge) 學科領域。從(cong) 研製到安裝,每一個(ge) 環節都必須精確無誤。高通過率電子光路要求傳(chuan) 輸效率達到100%,所有零部件的安裝精度要控製在20個(ge) 微米之內(nei) ,這個(ge) 數值隻有人頭發絲(si) 直徑的1/4。
讓劉華昌他們(men) 這些研發人員記憶最深的是,速調管的真空標準是標準大氣壓的千億(yi) 分之一。這對大尺寸銅腔的焊接材料和技術是一個(ge) 嚴(yan) 峻的挑戰,稍有不慎,就容易頻繁出現打火現象,輕則影響裝置的穩定運行,重則導致整個(ge) 功率源設備的損毀。
中國散裂中子源科學中心加速器技術部副主任 劉華昌:我們(men) 反複進行了實驗驗證,幾個(ge) 月,經曆了幾十次、上百次的實驗,選擇了這種焊料。
中國科學院高能物理研究所科研團隊和上下遊企業(ye) 通力合作,一道攻堅克難,最終圓滿完成了研發試製任務。中國散裂中子源二期工程的前期準備工作已全部就位,即將開始加速跑。
中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生:二期工程會(hui) 把散裂中子源最主要的技術指標,就是質子束流的功率提升5倍,使它的研究能力大大提升,同時會(hui) 新建9台中子譜儀(yi) 。二期工程全部完成以後,散裂中子源的研究能力已經基本覆蓋了所有的中子散射(應用領域)。
中國散裂中子源譜儀(yi) 大廳
原始創新新高地
中國散裂中子源由直線加速器、快循環同步加速器、靶站以及中子散射譜儀(yi) 等部分構成,其中加速器部分都在13米到18米的地下。地麵之上的譜儀(yi) 大廳,就是科學家的雲(yun) 集之地。年終歲末,來自全國各地的科學家依然在這裏進行最前沿的科技攻關(guan) 。
來自東(dong) 北大學的高建榮團隊與(yu) 散裂中子源的譜儀(yi) 科學家一起,正在為(wei) 即將開始的高溫合金定向凝固原位中子衍射實驗做最後的準備。
東(dong) 北大學教授 高建榮:我們(men) 這個(ge) (實驗)涉及高溫真空環境,要研究高溫合金,就是做飛機發動機葉片的那種金屬材料,從(cong) 液體(ti) 變成固體(ti) 的過程當中,它的缺陷是如何形成的。
航空發動機被譽為(wei) 現代工業(ye) 的“皇冠”,這顆“皇冠上的明珠”就是航空發動機上的葉片。我國雖然也能生產(chan) 航空發動機葉片,但多年來質量和性能仍有待提高。
高建榮表示,航空發動機葉片為(wei) 空心結構,材料特殊,結構複雜,要想提高國產(chan) 飛機葉片的質量和製造效率,首先必須對材料有充分認識。早在五年前,他就開始構思利用中子穿透性強的特點,進行高溫合金定向凝固的原位觀測實驗。
中國散裂中子源科學中心副主任 梁天驕:這種實驗包括相關(guan) 的設備研製應該說是非常有挑戰性。高溫合金在模殼內(nei) 融化,而且在這個(ge) 裏麵垂直方向上運動,我們(men) 在整個(ge) 生長過程中間,我們(men) 是不是都能夠獲得可靠的數據,這是高老師非常擔心的事情。
東(dong) 北大學教授 高建榮:在這麽(me) 複雜的條件下,我們(men) 能不能真的用中子觀察到這樣的信號,原理上來講覺得行,但是真正能不能看得見,我心裏一點譜都沒有。
散裂中子源的譜儀(yi) 科學家設計了幾個(ge) 分解實驗,來驗證定向凝固設備的中子衍射實驗可行性,支持高建榮將更多的時間精力用於(yu) 設備的研發上。半年後,高建榮得到驗證實驗成功的消息。
2018年,中國散裂中子源正式投入運行,使我國成為(wei) 世界上第4個(ge) 擁有脈衝(chong) 式散裂中子源的國家。散裂中子源從(cong) 2018年一期工程完成三條譜儀(yi) 建設後,近五年來又跟高校、科研機構等展開合作,先後啟動了八條譜儀(yi) 的建設。如今的譜儀(yi) 大廳裏,圍繞著靶站,五顏六色的混凝土模塊搭建起各具功能和特色的譜儀(yi) 。每個(ge) 色塊搭建的空間就是一個(ge) 實驗站,為(wei) 我國在磁性材料、高效催化劑、金屬玻璃、高分子聚合物等諸多領域的研究提供了重要的實驗平台。
四麵出擊
中國散裂中子源結出累累碩果
如果散裂中子源是探索物質微觀世界的超級顯微鏡,那圍繞著靶站的一條條譜儀(yi) 就是一個(ge) 個(ge) 不同的鏡頭,滿足不同學科、不同方向的科研需求。2023年,依托散裂中子源產(chan) 出了一批又一批的原創成果,也為(wei) 相關(guan) 產(chan) 業(ye) 高質量發展提供了源頭動能。
大氣中子譜儀(yi) 是散裂中子源今年新運行的一台譜儀(yi) ,它可以加速模擬宇宙射線打到大氣層產(chan) 生的中子輻照環境。過去,我們(men) 在大氣層內(nei) 與(yu) 地麵的很多電子元器件的失效,都跟大氣中子的這種輻照有關(guan) 係,特別是航空領域,電子設備失效的問題更為(wei) 關(guan) 鍵。
中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生:在實驗室正常的情況下去找,可能他們(men) 做了十幾萬(wan) 個(ge) 小時都找不到原因。但是在我們(men) 這裏麵,我們(men) 可以(用)10的8次方的速率加速它,就是說我們(men) 以1億(yi) 倍的速率,我在這做一分鍾,相當於(yu) 我做了1億(yi) 分鍾,就是很多年的測量,所以在我們(men) 這很快就定位了故障,就可以去加固它。加固之後再用我們(men) 的檢測發現定位很準確,加固的效果也很好。
2023年,依托中國散裂中子源,在新能源汽車領域,通過原位觀察鋰電池的充放電過程,首次發現了電池在充放電過程碳鋰化合物的一種不均勻現象,顛覆了業(ye) 內(nei) 對此的認識,為(wei) 鋰電池的性能改進和提升開拓了新視野。
在工程領域,完成了國產(chan) 高鐵車輪的原位應力測量,首次給出高鐵車輪完整的應力數據。為(wei) 國產(chan) 高鐵車輪的安全性評價(jia) ,以及使用壽命的正確判斷,提供了非常重要的數據支撐。
中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生:今年其實一直都很繁忙,我們(men) 散裂中子源現在每年開放的時間是世界上最長的,開放5300個(ge) 小時,所以是全年無休的。到明年我們(men) 的中子譜儀(yi) 會(hui) 增加到11台全部開放,這使我們(men) 的研究能力會(hui) 有很大的拓展。
散裂中子源自投入運行以來,已累計完成10輪開放運行,年均開放機時超過5000小時,注冊(ce) 用戶已達5000多個(ge) 。2023年全年完成376項用戶實驗,其中有多篇學術論文在國內(nei) 外一線學術期刊發表,遠超國外散裂中子源相同階段的成果產(chan) 出水平。在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等眾(zhong) 多領域產(chan) 出了一批重大原創成果。
此外,二期工程建設即將正式啟動,未來譜儀(yi) 數量將增加到20台,加速器打靶和靶站功率將從(cong) 100千瓦提升到500千瓦,大大提高實驗精度和速度。屆時,散裂中子源將測量更小的樣品,研究更快的動態過程,為(wei) 我國高水平科技自立自強作出更多更大的貢獻。
(總台央視記者 雷飆 梁治)
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