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中国人有了自己的“超级显微镜”

发布日期:2017-09-11  |   来源:中国青年报  |   作者:邱晨辉  |   编辑:陈雨飞

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9月1日,广东东莞,中国散裂中子源装置内的快循环质子同步加速器(视觉中国供图)

尽管已经过去10多天,但当71岁的中国科学院院士陈和生回忆起中国散裂中子源“出束”的那一幕,仍按捺不住激动。

他特别留意了时间:8月28日10时,在中国散裂中子源靶站谱仪控制室,科研人员紧张待命,做质子束流打靶前的最后准备。随着一声号令,从加速器引出的质子束流,打向金属钨靶——这是第一次打靶。

8月28日10时56分许,科研人员从中国散裂中子源靶站6号和20号中子束线里,分别测量到从两个不同慢化器输出的中子能谱。这意味着,打靶成功,散裂中子源顺利获得中子束流。这是该工程建设的重大里程碑,标志着中国散裂中子源主体工程顺利完工。

陈和生就是这个大科学装置工程的总指挥。该工程是国家“十一五”期间立项、“十二五”期间重点建设的重大科技基础设施,预计总投资为23亿元人民币,其中国家批复投资18.8亿元,一度被称作“我国最大的国家重大科技基础设施”。

陈和生说,原定于今年秋天实现首次获得中子束流的目标,如今提前实现首次获得中子束流的目标,且调试进度大大超过国际上其他散裂中子源调试过程,这样历史性的一刻值得共同见证。

所谓散裂中子源,通俗地说就是一个用“中子”来了解微观世界的工具。世界上的物质由分子和原子组成,而原子内部有原子核,原子核则包含了中子。中子不带电且对某些原子核非常敏感的特性,让它能够“拍摄”到材料的微观结构和内部运动规律,因此成了科学家探测各种物质分子内部结构的“探针”。

也因此,散裂中子源被科学家形象地称作“超级显微镜”。正如X射线能够“拍摄”人体的医学影像,科学家希望找到一种工具,能够“拍摄”物质材料的微观结构。散裂中子源是最佳选择之一。

陈和生打了一个较为形象的比方:假设面前有一张看不见的网,人们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。

当然,探测物质微观结构,除了“中子探针”,还有利用“X光”探测核外电子的同步辐射装置。中国运行和在建的专用同步辐射装置,就有“北京光源”“上海光源”和“合肥光源”。

中科院高能物理所东莞分部中子科学部副主任梁天骄说,X射线适合观测重元素,中子散射适合观测氢、氧、氮等轻元素。同步辐射和中子散射看到的是物质的不同方面,它们可以优势互补。

目前,全球正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国散裂中子源、美国散裂中子源和日本散裂中子源。完全建成后的中国散裂中子源,将成为世界第四台脉冲式散裂中子源。

陈和生至今还记得,2001年2月,我国科学家第一次在香山会议上提出建设该工程的设想,2006年,散裂中子源选址东莞大朗。他说,“为了如今历史性的一刻,我们期盼了10年。”

不少人有一个疑问,为了这个“第四台”,国家财政投入18.8亿元人民币,值得吗?陈和生说,美国散裂中子源投入14亿美元,对比来看中国的投入并不算多。当然,之所以相比国外“节省”很多,一个重要原因在于采用国产设备。

按照陈和生的说法,从2006年起,中国科学院支持了相关关键技术的预研,攻克了诸多技术难题。加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,设备国产化率达到96%以上。“如果从国外进口相关设备,这个投资肯定是不够的。”他说。

更为重要的是,在他看来,这样一个大科学工程,不仅可以在材料科学、生命科学、物理等基础研究领域提供“有力支撑”,还有“接地气”的一面,相关领域可借此平台攻克国家可持续性发展和国家安全战略需求的一些瓶颈问题。

他举了一个例子:1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,事故元凶竟然是老化的车轮。在英国散裂中子源上检测车轮,发现其中的内部裂痕。

陈和生说,事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免类似灾难发生的关键。如今,科学家已经可以在散裂中子源上,测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。

按照他的说法,散裂中子源的质子和中子还可用于肿瘤的放射性治疗研究,在新型清洁能源可燃冰的开发利用中,散裂中子源高压下的中子衍射技术,也能用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

根据整个工程规划,散裂中子源装置建在13米到18米的地下,其主要建设内容包括1台8000万电子伏特的负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、两条束流运输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。

前不久,陈和生透露,预计2018年春,中国散裂中子源将按计划全部完工,正式对国内外用户开放。




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