中子虽小 ， 但产生强中子束的散裂中子源却很庞大 ， 是集合了各种高、精、尖设备组成的大科学装置 。
中国散裂中子源（CSNS）坐落于广东省东莞市松山湖畔 。 中国散裂中子源隧道内装置建在13米到18米深的地下 ， 主要包括一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站、3台中子谱仪等 。 2011年9月开工建设 ， 2018年8月 ， 这一国之重器通过国家验收 ， 成为世界上第四个脉冲散裂中子源装置 。
“中国散裂中子源90%以上的装置设备 ， 由我国自主研发并实现了国产化 。 ” 中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生语气中带着自豪 。 他说 ， 通过建造中国散裂中子源 ， 显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域的产业技术水平 。
探测物质微观结构的重要“探针”
“散裂中子源就像一台‘超级显微镜’ ， 它是探测物质微观结构的重要手段 。 ”陈和生说 。
科学家介绍 ， 物质的结构决定了物质的性质 。 同样由碳元素构成 ， 金刚石坚硬 ， 石墨润滑 ， 就缘于它们的不同结构 。 为看清物质的微观结构 ， 科学家设计了很多方法 ， 利用中子散射探测是其中之一 。
中子散射为何能看清微观世界？原子由原子核和带负电的电子构成 ， 其中原子核又包括带正电的质子和不带电的中子 。 相比其他探测方式 ， 中子能轻松地穿透物质 。
中子束打到被研究的样品上 ， 虽然大多数不会受到任何阻碍 ， 但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用 ， 从而改变运动方向 。 通过分析中子散射的轨迹、中子和物质发生作用时能量和动量的变化 ， 科学家就能反推物质的结构 。
陈和生打了个比方：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 。
散裂中子源就能发出“弹珠” 。 它的原理是 ， 先把质子加速到一定的能量 ， 再把质子束当成“子弹” ， 去轰击原子序数很高的重金属靶 ， 靶的原子核被撞击出大量中子 。 科学家通过特殊装置“收集”中子 ， 然后用中子做探针 ， 便可以开展各种实验了 。
中国科学院高能物理研究所东莞研究部副主任梁天骄介绍 ， 除中子散射外 ， 观察微观世界还有同步辐射和电子显微镜等方式 。 其中 ， 中子散射用的是中子 ， 同步辐射借助的是X射线 ， 电子显微镜则依靠电子 。
“散裂中子源有其他方式无法替代的作用 ， 它与同步辐射光源互为补充 。 ”梁天骄解释 ， 比如 ， 同步辐射X射线是与原子核外的电子相互作用 ， 对含有电子数目较多的原子敏感 ， 但探测如氢原子等轻元素就比较困难 。 而中子散射与原子核相互作用的散射强度 ， 不受原子序数影响 ， 它不仅能够区分同位素和相邻元素 ， 还可以区分氢、锂、碳等轻元素 ， 因此在研究含有氢、锂等轻元素的能源材料、软物质与生物材料等方面中子散射有优势 。
破解新材料、生命科学、化学化工等领域难题
1998年6月 ， 德国一列高铁意外出轨 。 是车轮、轴承还是铁轨出了故障？分析事故原因时 ， 科学家陷入争论 。 有人提出 ， 用电子显微镜观察这些部件 ， 但这需要用激光刀把金属部件切成小于1微米的薄片 ， 几乎无法操作 。
借助中子散射技术 ， 科学家找到事故的元凶——失事的车辆车轮内部的金属疲劳 。 陈和生告诉采访人员 ， 高铁的车轮、飞机的涡轮叶片里的应力变化看不到、摸不着 ， 但超过一定值 ， 就存在隐患 。 如今 ， 在散裂中子源上测量研究车轮和叶片的残余应力 ， 可以优化机械加工工艺 ， 帮助高铁和飞机变得更安全、更舒适 。
研究大型工程部件残余应力和金属疲劳 ， 只是中子散射诸多应用中的一种 。 在生物医药领域 ， 中子散射能够帮助科学家看清蛋白质的内部结构；在可燃冰的开发利用中 ， 散裂中子源可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件 ， 为安全、高效地开采和利用提供科学依据 。
中子散射能用于文物研究 。 想了解一尊佛像的制造工艺 ， 但无法把它大卸八块 ， 怎么办？利用中子成像技术 ， 能清晰看到佛像的中间有一根木制“主梁” 。 这是因为中子散射对轻的元素非常敏感 ， 中间的棍子是木头做的 ， 也就是碳氢化合物 ， 中子可以轻易地“看到”它 。 因此可推测出古代工匠在造佛像时 ， 先在中间立一根木梁 ， 然后在木梁周围缠上支撑架 ， 最终用黏土制成 。
“中子散射还是研究锂电池的利器 。 ”梁天骄告诉采访人员 ， 将工业电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪 ， 实时原位测量在几百次充放电的过程中 ， 锂电池各个部分材料结构、性能的变化 ， 能够为改进和优化锂电池的设计提供关键数据 。
回顾中国散裂中子源的建造历程 ， 陈和生说：“散裂中子源建起来复杂 ， 实验难度大 ， 但国民经济许多关键领域的研究离不开它 。 20多年前 ， 我们就向国家提出了要建造自己的散裂中子源 ， 这件事困难再大也要做 。 ”
突破关键核心技术 ， 往往离不开对前沿科学问题的探索 。 陈和生认为 ， 在新材料、生命科学、化学化工等领域 ， 中国散裂中子源有望助力我国解决“瓶颈”难题 。
成为粤港澳大湾区的创新策源地
【装置|这台“超级显微镜”不一般（走近大科学装置②）】科学家告诉采访人员 ， 中国散裂中子源投入运行以来 ， 为多学科交叉前沿研究和高技术创新提供了先进的平台 ， 获得了大批重要成果 ， 成为粤港澳大湾区科技创新的重大科技基础设施 。
去年5月 ， 香港大学教授黄明欣团队关于高强度钢的研究在《科学》杂志发表 。 正是利用中国散裂中子源 ， 该团队得到了这种高强度钢独特性质的重要微观结构信息 。
中国散裂中子源建成不久后 ， 陈和生曾预言 ， 松山湖畔将会成为科技创新的沃土 。 目前 ， 中国散裂中子源就像一块磁铁 ， 正吸引着科研人员慕名而来 。
“建起来了 ， 我们还要用好 。 ”中国科学院高能物理研究所副所长、东莞研究部主任陈延伟介绍 ， 中国散裂中子源正式运行以来 ， 积极推进装置的开放共享 ， 逐渐成为粤港澳大湾区的创新策源地 。
采访人员了解到 ， 截至目前 ， 中国散裂中子源已完成四轮运行 ， 注册用户超2000人 ， 支撑了400多项研究课题 ， 来自粤港澳大湾区的约占1/4 ， 其中来自中国香港、中国澳门的用户大概一共占总用户的10% 。
“今年上半年申请的机时翻了一倍 ， 科学界、产业界对中国散裂中子源的需求很旺盛 。 ”陈延伟告诉采访人员 。
中国散裂中子源是服务基础研究的工具 ， 也是发展高技术产业的支撑 。 谈起选址东莞的初衷 ， 陈延伟告诉采访人员 ， 珠三角地区产业基础好 ， 但过去缺少有分量的大科学装置 ， 在各方努力下 ， 最终在这里选址 。
陈延伟接着说 ， 绝大多数企业不可能自己建设单独的大科学装置 ， 有了中国散裂中子源这个平台 ， 企业就能够做一些前沿的研究 ， 为产业升级、迈向高端打基础 。
中国散裂中子源仍在成长中 。 陈延伟说 ， 中国散裂中子源设计了20个谱仪孔道 ， 目前一期仅建设了3台谱仪 。 同时 ， 散裂中子源的建设涉及大量高技术 ， 中国散裂中子源要加强与国内外科学家交流 ， 推动相关应用和研究走向深入 ， 力争为国家科技发展做出更大贡献 。
推荐阅读
- 快报|“他，是能成就导师的学生”
- 技术|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- bug|这款小工具让你的Win10用上“Win11亚克力半透明菜单”
- 重大进展|“2”类医械有重大进展：神经介入产品井喷、基因测序弯道超车
- 历史|科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 空间|（科技）科普：詹姆斯·韦布空间望远镜——探索宇宙历史的“深空巨镜”
- 精度|将建模速率提升10倍，消费级3D扫描仪Magic Swift在2021高交会大显“身手”
- 四平|智慧城市“奥斯卡”揭晓！祝贺柯桥客户荣获2021世界智慧城市治理大奖
- |南安市司法局“加减乘除” 打造最优法治营商环境
- ASUS|华硕预热ROG Flow Z13：称其是“全球最强悍的游戏平板”