發(fā)布日期：2018-08-28
沿著G94珠三角環(huán)線高速行車至莞佛高速交匯處附近，道路中的指示牌就會(huì)出現(xiàn)“中國散裂中子源（CSNS）”的標(biāo)志字樣，十分醒目，但絕大多數(shù)經(jīng)過此處的車主，卻并不清楚這個(gè)名稱背后所代表的確切含義。
8月23日，隨著中國散裂中子源通過國家驗(yàn)收，投入正式運(yùn)行，我國成為繼英、美、日之后，第四個(gè)擁有散裂中子源的國家。這個(gè)坐落于廣東東莞的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施也終于揭開了神秘面紗，開始闊步邁入前沿科學(xué)研究的舞臺中心。散裂中子源究竟為何物？和我們的日常生活有關(guān)系嗎？本期科技能見度，就帶您走近這個(gè)高精尖的國之重器，看看它究竟有哪些本事。
把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”去轟擊重金屬靶
8月23日下午，天氣晴熱。在中國散裂中子源一期建設(shè)園區(qū)內(nèi)，受國家發(fā)改委委托、中國科學(xué)院組織的國家驗(yàn)收會(huì)正在進(jìn)行。
驗(yàn)收會(huì)從下午兩時(shí)半開始，經(jīng)過詳細(xì)匯報(bào)和反復(fù)討論，一直持續(xù)到傍晚六時(shí)。最終，國家驗(yàn)收委員會(huì)專家們給出了正式的驗(yàn)收意見。專家認(rèn)為，中國散裂中子源的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)。裝置整體設(shè)計(jì)先進(jìn)，研制設(shè)備質(zhì)量精良，靶站最高中子效率和三臺譜儀綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
由此，我國首臺散裂中子源、粵港澳大灣區(qū)首個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，按指標(biāo)、按工期、高質(zhì)量地完成了工程建設(shè)任務(wù)，將正式投入運(yùn)行，對國內(nèi)外各領(lǐng)域用戶開放。
對于普通人來說，想要真正理解這個(gè)大科學(xué)裝置的意義卻并不容易，首先還要從了解這個(gè)裝置的原理及作用入手。
散裂中子源常常被比作一臺觀察物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的“超級顯微鏡”。例如，同樣都是由碳元素構(gòu)成的物質(zhì)，世界上最硬的材料之一金剛石和我們?nèi)粘Ｊ褂玫你U筆芯材料石墨的物理性質(zhì)，就有巨大差異。為何差距如此之大呢？這時(shí)散裂中子源就能發(fā)揮作用了。
那么，如何觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)？在現(xiàn)代科學(xué)產(chǎn)生之前，人類用肉眼去觀察和理解世界。后來，科學(xué)家發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，人類第一次看到了肉眼無法直接觀察到的細(xì)胞和細(xì)菌等微觀世界。而電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡的分辨率要高1000倍左右，可以看到更小的病毒。
隨著人類對微觀世界的探索的技術(shù)手段提高，“超級顯微鏡”散裂中子源也應(yīng)運(yùn)而生。
該裝置的工作原理，是將質(zhì)子加速到16億電子伏特，速度相當(dāng)于0.9倍光速，然后把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊產(chǎn)生中子，再射向樣品，科學(xué)家通過圍繞樣品的譜儀收集被散射的中子，從而可精確反推出樣品的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
研究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的理想探針
中子是研究物質(zhì)材料微觀結(jié)構(gòu)的理想探針，但在自然狀態(tài)下不易獲取，因此必須建造特定裝置來獲得穩(wěn)定的中子束流。產(chǎn)生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的核反應(yīng)堆，利用鈾235的核裂變反應(yīng)產(chǎn)生中子，但這種方式對于安全性是很大的威脅。
散裂中子源則不使用核燃料，而且熱功率低，因此成為了國際上先進(jìn)中子散射源的發(fā)展趨勢。其加速質(zhì)子使用的是高頻電磁場，只要切斷電源，質(zhì)子就會(huì)立即停止轟擊金屬靶，不會(huì)有任何放射性污染且可控，因此是最安全的產(chǎn)生中子的方式。
不過，散裂中子源裝置極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復(fù)雜，制造和安裝難度極大。此前，世界上僅有英、美、日三國各建造了一臺。例如漂移管直線加速器，安裝的誤差不能超過0.05毫米，比一根頭發(fā)絲還細(xì)；散裂中子源的“眼睛”——中子探測器，此前的核心技術(shù)掌握在外國人手中，但經(jīng)過中國科研人員攻關(guān)，克服了層層技術(shù)難關(guān)，使得項(xiàng)目順利建成。
中國散裂中子源一期，包括一臺8000萬電子伏特負(fù)氫離子直線加速器、一臺16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站，以及一期三臺供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀。
中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理陳和生告訴記者，該裝置的建成，填補(bǔ)了國內(nèi)脈沖中子源及應(yīng)用領(lǐng)域的空白，將為諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供強(qiáng)有力的研究平臺，例如物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等。它的投入運(yùn)行，對我國探索前沿科學(xué)問題、攻克產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)、解決“卡脖子”問題具有重要意義。
未來有望為癌癥患者帶來福音
那么，散裂中子源究竟有何用途呢？陳和生舉例道，“我們可以利用散裂中子源來研究大型金屬部件的殘余應(yīng)力，這對于提高高鐵關(guān)鍵部件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的性能，以及核電站部件的服役性能十分重要。此外，可燃冰、磁性材料的研究，以及化學(xué)反應(yīng)催化劑的原位研究等，都可以使用散裂中子源。”
實(shí)際上，中子散射在日常生活中的應(yīng)用也非常廣泛。例如，中子散射是研究鋰電池的利器。眾所周知，大幅度提高鋰電池的性能是電動(dòng)汽車推廣的關(guān)鍵?？茖W(xué)家可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀，實(shí)時(shí)原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個(gè)部分性能的變化，為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
在能源材料領(lǐng)域，氫動(dòng)力汽車比以汽油為燃料的汽車更加節(jié)能環(huán)保。為實(shí)現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定儲存，需要把氫氣變成密度更高的固體。最簡單的辦法是給氫氣加壓，但又有容易引發(fā)爆炸的危險(xiǎn)?，F(xiàn)代科學(xué)家用一種金屬——有機(jī)框架材料，可以把氫氣吸進(jìn)去，要用的時(shí)候再把氫氣釋放出來。而中子散射就可以幫助科學(xué)家研究，氫氣在金屬的什么位置、什么情況下可以更好地釋放。
與普通人生活相關(guān)的應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域。去年8月，中國科學(xué)院高能物理研究所與東陽光集團(tuán)舉行了硼中子俘獲治療項(xiàng)目合作簽約。硼中子俘獲治療的原理是先為病人注射一種含硼的藥物，該藥物會(huì)迅速聚集于癌細(xì)胞內(nèi)。當(dāng)中子源裝置產(chǎn)生中子通過照射，被癌細(xì)胞內(nèi)的硼俘獲，就會(huì)在體內(nèi)發(fā)生很強(qiáng)的核反應(yīng)，釋放出殺傷力極強(qiáng)的射線，可以殺死癌細(xì)胞而不損傷周圍組織。這種療法具有安全性高、定位精準(zhǔn)、價(jià)格相對低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，散裂中子源與醫(yī)藥企業(yè)聯(lián)手，未來有望為癌癥患者的治療帶來福音。
事實(shí)上，自2018年3月試運(yùn)行以來，散裂中子源首期三臺譜儀已完成10個(gè)用戶單位16個(gè)研究組的21個(gè)樣品實(shí)驗(yàn)，并取得了首批重要科學(xué)成果。這些實(shí)驗(yàn)均針對國家重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，充分發(fā)揮了中子散射的特點(diǎn)，涵蓋了能源、物理、材料、工程等多個(gè)前沿交叉和高科技研發(fā)領(lǐng)域，如鋰離子電池材料、稀土磁性、新型高溫超導(dǎo)、功能薄膜等。
散裂中子源工作原理
1 負(fù)氫離子產(chǎn)生后，在直線加速器里加速，經(jīng)過剝離掉電子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子
2 質(zhì)子束積累到足夠流強(qiáng)后，再注入環(huán)形加速器繼續(xù)加速
3 當(dāng)質(zhì)子束達(dá)到16億電子伏的能量后，從環(huán)形加速器引出，經(jīng)傳輸線打向金屬鎢靶
4 金屬鎢原子核在高能質(zhì)子的轟擊下，發(fā)生散裂反應(yīng)釋放出中子，一個(gè)質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20—30個(gè)中子
5 高能中子束流脈沖非常短又非常強(qiáng)，經(jīng)過慢化器慢化處理后，通過中子導(dǎo)管引向各種研究用的譜儀，才能讓中子與試驗(yàn)樣品的原子碰撞
6 中子譜儀會(huì)記錄下碰撞后中子的運(yùn)動(dòng)軌跡，供用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究
展望：助推粵港澳大灣區(qū)科創(chuàng)高地建設(shè)
散裂中子源支撐的學(xué)科研究和應(yīng)用領(lǐng)域眾多，是目前國際上公認(rèn)的、與大型光源互補(bǔ)，卻發(fā)揮著無法被取代的新一代科學(xué)研究和先進(jìn)材料研發(fā)的主流大科學(xué)裝置。十余載磨一劍，各方對于散裂中子源未來的設(shè)想遠(yuǎn)未止步。
在東莞市有關(guān)構(gòu)想中，還希望借鑒英國盧瑟福國家實(shí)驗(yàn)室等成功經(jīng)驗(yàn)，以散裂中子源為核心，規(guī)劃建設(shè)一個(gè)中子科學(xué)城，引進(jìn)更多重大科學(xué)裝置和實(shí)驗(yàn)室，以及一批項(xiàng)目研究所及研究型大學(xué)分部，搭建和運(yùn)營國家實(shí)驗(yàn)室群。中科院高能物理研究所也在為這一構(gòu)想提供智力支持。
“衡量用戶裝置成功與否的主要標(biāo)準(zhǔn)是用戶的科技成果和對滿足國家戰(zhàn)略需求的貢獻(xiàn)。”陳和生表示。
依托中國散裂中子源，“同步輻射光源”項(xiàng)目已經(jīng)在積極考察籌備，材料科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室也選址在附近開始籌建，可以預(yù)見的是，未來將能吸引大批材料科學(xué)領(lǐng)域的高水平人才。
與此同時(shí)，粵港澳大灣區(qū)的研究機(jī)構(gòu)和高校對利用散裂中子源也表現(xiàn)得非常積極，紛紛要求出資共建譜儀，表現(xiàn)出強(qiáng)勁的用戶需求。
目前，散裂中子源已經(jīng)建成了三臺譜儀，包括一臺通用粉末衍射儀、一臺多功能反射儀和一臺小角散射儀。按照規(guī)劃，未來還將陸續(xù)建設(shè)17臺不同類型的譜儀。其中，包括正計(jì)劃與珠三角等地的用戶共建的5臺譜儀。例如，與東莞理工學(xué)院和香港城市大學(xué)合作建設(shè)“多物理譜儀”、與南方科技大學(xué)合作建設(shè)“高壓粉末衍射儀”、與工信部電子五所合作建設(shè)“大氣中子輻照譜儀”等等。
中國科學(xué)院院士、高能物理研究所所長王貽芳曾表示，中國散裂中子源選址于廣東省東莞市，這是國家大科學(xué)裝置首次在我國南方經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省建設(shè)布局，優(yōu)化了科研設(shè)施在全國的布局，有利于增強(qiáng)南方經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省的科研創(chuàng)新能力，對促進(jìn)珠三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，建設(shè)華南科技創(chuàng)新高地，助力粵港澳大灣區(qū)建設(shè)等，都具有重要意義。（記者 陳啟亮）
來源：南方日報(bào)
