【走近大國重器】

藍(lán)天一碧如洗，云朵舒展飄過。汽車在廣東東莞松山湖科學(xué)城穿行，轉(zhuǎn)過一個(gè)彎后，眼前豁然開朗，遠(yuǎn)處山坡上，“中國散裂中子源”7個(gè)遒勁有力的大字在陽光下熠熠生輝。

11月12日，科技日報(bào)記者走進(jìn)中國散裂中子源的譜儀大廳時(shí)，這里正忙著一件大事——由中國科學(xué)院高能物理研究所與中山大學(xué)共建的高能非彈性中子散射譜儀揭牌。作為中國散裂中子源建設(shè)的8臺(tái)合作譜儀之一，這也是國內(nèi)首臺(tái)中高能非彈性中子散射譜儀，填補(bǔ)了我國百兆電子伏以上中高能非彈性中子散射的空白。

看著又一個(gè)“首臺(tái)”誕生，在場的人們難掩喜悅。

中國散裂中子源，為洞察微觀世界、探究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)提供了新的“超級(jí)顯微鏡”，讓中國科研人員的笑容更加自信。

尋 光

——建自己的散裂中子源

“當(dāng)你走進(jìn)一個(gè)昏暗的房間，首先要做什么?”

走在中國散裂中子源的沙盤邊，中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部中子科學(xué)部副主任張俊榮向記者發(fā)問。

“開燈?”記者本能地答道。

“對。在暗的環(huán)境中，必須要有一個(gè)光源照亮物質(zhì)，才能看到房間里的所有布局、所有東西。”張俊榮說，散裂中子源也具有這樣的強(qiáng)大功能，通過其發(fā)出的“光”，我們可以看到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，從而了解物質(zhì)的組成。

曾幾何時(shí)，只有英國、美國和日本擁有這種看清物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“超級(jí)顯微鏡”——脈沖式散裂中子源。這意味著，我國科學(xué)家如果要對一些領(lǐng)域開展研究，只能向國外申請使用設(shè)備。

“由于設(shè)備有限，我們不僅要排很久的隊(duì)，而且在諸多方面受制于人。”張俊榮說。

說話間，記者來到了中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生的辦公室。

辦公桌、茶幾、沙發(fā)，都是最簡單的擺設(shè)。一張散裂中子源工程圖，貼在墻上最顯眼的位置。

“中國的科學(xué)技術(shù)，歸根結(jié)底要靠中國人，在自己的土地上才能發(fā)展起來!”陳和生告訴記者，中國散裂中子源可為材料科學(xué)技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)化工、生命科學(xué)、新能源等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究提供先進(jìn)的科研平臺(tái)，對解決國家重大戰(zhàn)略需求和前沿科學(xué)諸多領(lǐng)域的瓶頸問題有著重要意義。

追 光

——讓中子“跑”起來

在中國散裂中子源的加速器區(qū)域，只能看到一棟長方形建筑和一棟環(huán)形建筑，相關(guān)設(shè)備都埋藏于隧道內(nèi)。

中國散裂中子源的裝置包括直線加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站以及中子散射譜儀等。

加速器建在13米到18米深的地下，其中直線加速器隧道長240米，快循環(huán)同步加速器周長228米，相當(dāng)于半個(gè)足球場大小。

“裝置運(yùn)行期間，隧道全部封閉，調(diào)控也是遠(yuǎn)程。”張俊榮介紹說。

在肉眼看不到的地下，是微觀粒子的廣闊天地。

一個(gè)離子源產(chǎn)生負(fù)氫離子，在直線加速器內(nèi)加速到高速運(yùn)行。此時(shí)的速度依然不夠產(chǎn)生中子，需要進(jìn)入快循環(huán)同步加速器繼續(xù)加速。

“在數(shù)百米長的環(huán)形隧道中，每一圈質(zhì)子的速度都會(huì)增加。加速2萬圈左右，質(zhì)子的能量達(dá)到16億電子伏特，速度達(dá)到光速的92%。”張俊榮說，別以為加速2萬圈需要很長時(shí)間，實(shí)際上就是“嗖”的一下。

如此高速高能的質(zhì)子，順著隧道來到了下一站——靶站。

和埋藏在地下的加速器不同，靶站建在地面上，與中子散射譜儀同處一個(gè)寬闊的大廳。不過，為了確保安全，靶站和譜儀都用混凝土屏蔽體保護(hù)了起來。

在大廳里，靶站位于中間位置，外表涂裝成藍(lán)色，非常顯眼。靶站周圍，延伸出來一條條譜儀，每一條譜儀都涂上不同的顏色，有不同的作用。

在靶站里面，高速高能的質(zhì)子轟擊金屬鎢，就會(huì)釋放出中子。這些中子通過一條條譜儀引出來，到達(dá)放置樣品的實(shí)驗(yàn)站。

“用中子打到樣品之后，通過對中子和樣品作用散射出來的一些中子進(jìn)行分析，就能知道物質(zhì)結(jié)構(gòu)是怎樣的。”張俊榮說。

試想，面前有一張看不見的網(wǎng)，人們不斷扔出玻璃彈珠。有的彈珠穿網(wǎng)而過，有的彈珠打在網(wǎng)上再彈向不同角度。如果彈珠發(fā)得足夠多且強(qiáng)，就能通過彈珠的軌跡反向推測出網(wǎng)的形狀。

目前，中國散裂中子源運(yùn)行已十分順利。這背后，是10多年的籌備和6年半的建設(shè)——2018年中國散裂中子源正式投入運(yùn)行，使我國成為世界上第4個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國家。

發(fā) 光

——創(chuàng)造出一批源頭創(chuàng)新成果

譜儀大廳，是中國散裂中子源科研人員以及來自高校、研究院、企業(yè)等用戶工作的地方。走在大廳內(nèi)，記者看到這里正進(jìn)行著多物理譜儀、通用粉末衍射譜儀等多臺(tái)譜儀實(shí)驗(yàn)。

在這里做實(shí)驗(yàn)，用戶通常要先制備樣品、安裝樣品。實(shí)驗(yàn)開始之后，中國散裂中子源的科研人員和用戶在譜儀的控制室一起討論數(shù)據(jù)結(jié)果、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

控制室的布置較為簡單，墻上的液晶顯示屏上，各種數(shù)據(jù)一目了然。

張俊榮說，中國散裂中子源一年運(yùn)行200多天，運(yùn)行期間24小時(shí)開機(jī)，用戶比較辛苦，需要隨時(shí)在控制室更換樣品、進(jìn)行數(shù)據(jù)討論等，把每分鐘都充分利用起來。

中國散裂中子源機(jī)時(shí)很珍貴，用途也很廣泛。

“比如，高鐵車輪很大很重，很少有手段能穿透車輪看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但中子能提供獨(dú)一無二的手段。”張俊榮說，中子可以直接穿透大型部件，無損地看到其內(nèi)部缺陷或者結(jié)構(gòu)變化，再通過結(jié)構(gòu)演化研究，技術(shù)人員就可以提高裝備的可靠性、穩(wěn)定性。

“在自家門口做實(shí)驗(yàn)，太方便了!”中國散裂中子源的投入使用，讓香港大學(xué)教授黃明欣受益良多。過去，他需要先向國外散裂中子源申請機(jī)時(shí)，然后設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟，把材料寄到國外，待實(shí)驗(yàn)做好之后再傳回?cái)?shù)據(jù)。

利用中國散裂中子源的通用粉末衍射譜儀，黃明欣團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度高且韌性好的“超級(jí)鋼”的微觀原理，研究成果曾兩度刊于《科學(xué)》。

2018年投入運(yùn)行以來，中國散裂中子源已累計(jì)完成10輪開放運(yùn)行，一年開放機(jī)時(shí)超過5000小時(shí)，擁有約5000多個(gè)注冊用戶，總共完成課題1000余項(xiàng)，在航空航天、量子、能源、合金、高分子、信息材料等眾多領(lǐng)域發(fā)光發(fā)亮，創(chuàng)造出一批源頭創(chuàng)新碩果。

采訪即將結(jié)束時(shí)，散裂中子源科學(xué)中心主任王生告訴記者，二期工程建設(shè)即將啟動(dòng)，未來譜儀數(shù)量將增加到20臺(tái)，加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦，大大提高實(shí)驗(yàn)精度和速度。屆時(shí)，中國散裂中子源將測量更小的樣品，研究更快的動(dòng)態(tài)過程，滿足更多用戶的需求!