中国散裂中子源 探索微观世界的“超级显微镜”

发布时间:2024-03-05 00:17:50 来源: sp20240305

  在广东东莞市松山湖科学城,紧邻高速公路,有一片依山而建,造型独特的建筑群,山坡上矗立着 “中国散裂中子源”几个大字。《国之重器 硬核所在》,一起走近这个被称为超级显微镜的国之重器。

  物质由分子和原子组成,原子核又包含了中子和质子。中子不带电、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,是科学家探索微观世界的理想探针。

  当中子与被研究对象的原子核相互作用而改变运动方向时,科学家通过分析散射中子的轨迹、能量和动量的变化,就能反推出物质的结构。这就好像我们不断往一张看不见的网上扔弹珠,有的弹珠穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果记录下这些弹珠的运动轨迹,就能大致推测出网的形状;如果弹珠扔得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。

  散裂中子源就是这样一座生产、发射弹珠的 “超级工厂”。它的原理是,先把质子加速到一定的能量,再把质子束当成“炮弹”,去轰击重金属靶从而产生大量中子。科学家通过特殊装置“操控”中子,用中子做探针观察微观世界,成为研究物质静态微观结构和动力学机制的“超级显微镜”,这对解决国家重大战略需求和前沿科学诸多领域的瓶颈问题有着重要意义。

  速调管研制成功

  散裂中子源开启加速跑

  2023年,中国散裂中子源运行超过5000小时,在新能源、合金、高分子、信息材料等领域创造出一批源头创新成果。为了满足更多更高的用户需求,中国散裂中子源二期工程建设也即将启动,关键设备的研制目前正在紧张进行中。

  在散裂中子源科学中心的实验室里,近日成功研制的关键核心设备——首台全国产化P波段大功率速调管,经过连续24小时无故障运行,全部性能指标均达到或超过设计要求,顺利通过验收。至此,中国散裂中子源二期工程关键加速器核心设备都拥有完全自主知识产权,整体国产化率已接近100%。

  研发团队成员刘华昌表示,速调管功率源由多个关键部件和系统组成,用于将电功率转化为高频微波功率,为粒子束流提供加速动力。它是中国散裂中子源二期工程中,加速器打靶束流功率从100千瓦提升到500千瓦的关键设备之一。

  中国散裂中子源科学中心加速器技术部副主任 刘华昌:我们的一期4台这样的设备,能够将离子的能量从3兆电子伏特加速到80兆电子伏特,对应的离子速度,大概是不到0.4倍的光速。而我们二期会增加大概有20台这样的设备,将离子的速度进一步从0.4提高到0.65倍的光速。

  这就好比汽车的发动机,将化学燃料转化为机械动能,驱动汽车前进。由于二期工程是在一期的基础之上升级而来,功率五倍的提升完全靠束流的流强提升,需要采用超导腔将直线加速器的能量大幅提升,这对速调管的性能和指标提出了更高的要求。当时,这种设备国内尚无研发和制造能力,一期工程只能选择进口,没想到却给如期完工,包括后续稳定运行带来了一系列的影响。

  中国科学院高能物理研究所副所长 中国散裂中子源二期工程总指挥 王生:一期用的4台是从美国进口的,最开始调束之前就成为我们的一个瓶颈,这4台速调管返回美国重新维修了五次,都发现大的质量问题。从那之后,也结合高能所的研究方向,我们就开始国产化自主技术的研究。

  大功率速调管这种电真空器件,零部件数以百计,涉及多个学科领域。从研制到安装,每一个环节都必须精确无误。高通过率电子光路要求传输效率达到100%,所有零部件的安装精度要控制在20个微米之内,这个数值只有人头发丝直径的1/4。

  让刘华昌他们这些研发人员记忆最深的是,速调管的真空标准是标准大气压的千亿分之一。这对大尺寸铜腔的焊接材料和技术是一个严峻的挑战,稍有不慎,就容易频繁出现打火现象,轻则影响装置的稳定运行,重则导致整个功率源设备的损毁。

  中国散裂中子源科学中心加速器技术部副主任 刘华昌:我们反复进行了实验验证,几个月,经历了几十次、上百次的实验,选择了这种焊料。

  中国科学院高能物理研究所科研团队和上下游企业通力合作,一道攻坚克难,最终圆满完成了研发试制任务。中国散裂中子源二期工程的前期准备工作已全部就位,即将开始加速跑。

  中国科学院高能物理研究所副所长 中国散裂中子源二期工程总指挥 王生:二期工程会把散裂中子源最主要的技术指标,就是质子束流的功率提升5倍,使它的研究能力大大提升,同时会新建9台中子谱仪。二期工程全部完成以后,散裂中子源的研究能力已经基本覆盖了所有的中子散射(应用领域)。

  中国散裂中子源谱仪大厅

  原始创新新高地

  中国散裂中子源由直线加速器、快循环同步加速器、靶站以及中子散射谱仪等部分构成,其中加速器部分都在13米到18米的地下。地面之上的谱仪大厅,就是科学家的云集之地。年终岁末,来自全国各地的科学家依然在这里进行最前沿的科技攻关。

  来自东北大学的高建荣团队与散裂中子源的谱仪科学家一起,正在为即将开始的高温合金定向凝固原位中子衍射实验做最后的准备。

  东北大学教授 高建荣:我们这个(实验)涉及高温真空环境,要研究高温合金,就是做飞机发动机叶片的那种金属材料,从液体变成固体的过程当中,它的缺陷是如何形成的。

  航空发动机被誉为现代工业的“皇冠”,这颗“皇冠上的明珠”就是航空发动机上的叶片。我国虽然也能生产航空发动机叶片,但多年来质量和性能仍有待提高。

  高建荣表示,航空发动机叶片为空心结构,材料特殊,结构复杂,要想提高国产飞机叶片的质量和制造效率,首先必须对材料有充分认识。早在五年前,他就开始构思利用中子穿透性强的特点,进行高温合金定向凝固的原位观测实验。

  中国散裂中子源科学中心副主任 梁天骄:这种实验包括相关的设备研制应该说是非常有挑战性。高温合金在模壳内融化,而且在这个里面垂直方向上运动,我们在整个生长过程中间,我们是不是都能够获得可靠的数据,这是高老师非常担心的事情。

  东北大学教授 高建荣:在这么复杂的条件下,我们能不能真的用中子观察到这样的信号,原理上来讲觉得行,但是真正能不能看得见,我心里一点谱都没有。

  散裂中子源的谱仪科学家设计了几个分解实验,来验证定向凝固设备的中子衍射实验可行性,支持高建荣将更多的时间精力用于设备的研发上。半年后,高建荣得到验证实验成功的消息。

  2018年,中国散裂中子源正式投入运行,使我国成为世界上第4个拥有脉冲式散裂中子源的国家。散裂中子源从2018年一期工程完成三条谱仪建设后,近五年来又跟高校、科研机构等展开合作,先后启动了八条谱仪的建设。如今的谱仪大厅里,围绕着靶站,五颜六色的混凝土模块搭建起各具功能和特色的谱仪。每个色块搭建的空间就是一个实验站,为我国在磁性材料、高效催化剂、金属玻璃、高分子聚合物等诸多领域的研究提供了重要的实验平台。

  四面出击

  中国散裂中子源结出累累硕果

  如果散裂中子源是探索物质微观世界的超级显微镜,那围绕着靶站的一条条谱仪就是一个个不同的镜头,满足不同学科、不同方向的科研需求。2023年,依托散裂中子源产出了一批又一批的原创成果,也为相关产业高质量发展提供了源头动能。

  大气中子谱仪是散裂中子源今年新运行的一台谱仪,它可以加速模拟宇宙射线打到大气层产生的中子辐照环境。过去,我们在大气层内与地面的很多电子元器件的失效,都跟大气中子的这种辐照有关系,特别是航空领域,电子设备失效的问题更为关键。

  中国科学院高能物理研究所副所长 中国散裂中子源二期工程总指挥 王生:在实验室正常的情况下去找,可能他们做了十几万个小时都找不到原因。但是在我们这里面,我们可以(用)10的8次方的速率加速它,就是说我们以1亿倍的速率,我在这做一分钟,相当于我做了1亿分钟,就是很多年的测量,所以在我们这很快就定位了故障,就可以去加固它。加固之后再用我们的检测发现定位很准确,加固的效果也很好。

  2023年,依托中国散裂中子源,在新能源汽车领域,通过原位观察锂电池的充放电过程,首次发现了电池在充放电过程碳锂化合物的一种不均匀现象,颠覆了业内对此的认识,为锂电池的性能改进和提升开拓了新视野。

  在工程领域,完成了国产高铁车轮的原位应力测量,首次给出高铁车轮完整的应力数据。为国产高铁车轮的安全性评价,以及使用寿命的正确判断,提供了非常重要的数据支撑。

  中国科学院高能物理研究所副所长 中国散裂中子源二期工程总指挥 王生:今年其实一直都很繁忙,我们散裂中子源现在每年开放的时间是世界上最长的,开放5300个小时,所以是全年无休的。到明年我们的中子谱仪会增加到11台全部开放,这使我们的研究能力会有很大的拓展。

  散裂中子源自投入运行以来,已累计完成10轮开放运行,年均开放机时超过5000小时,注册用户已达5000多个。2023年全年完成376项用户实验,其中有多篇学术论文在国内外一线学术期刊发表,远超国外散裂中子源相同阶段的成果产出水平。在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等众多领域产出了一批重大原创成果。

  此外,二期工程建设即将正式启动,未来谱仪数量将增加到20台,加速器打靶和靶站功率将从100千瓦提升到500千瓦,大大提高实验精度和速度。届时,散裂中子源将测量更小的样品,研究更快的动态过程,为我国高水平科技自立自强作出更多更大的贡献。

  (总台央视记者 雷飚 梁治) 【编辑:李润泽】