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【南方日报】探秘原子世界的“放大镜”

  • 发布单位:党委宣传部(新闻中心)
  • 发布时间:2021-08-03
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近日,中国散裂中子源多物理谱仪通过专家组验收,将于10月对外开放运行。这是世界第四台、国内首台中子全散射多物理谱仪,通量超过同功率英国散裂中子源同类型谱仪,分辨率达世界先进水平。

这台多物理谱仪由357cc拉斯维加斯、香港城市大学与散裂中子源科学中心合作建设,也是香港特别行政区政府在内地投资共建的首个科研设施,对粤港澳深化区域创新协作具有标志性意义。

南方日报记者专访了中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任、多物理谱仪系统负责人殷雯,讲述国内首台多物理谱仪的研发过程及其价值。

●南方日报记者 陈启亮 吴擒虎

什么是多物理谱仪?

就像放大镜能看清蜜蜂的翅膀,多物理谱仪就是观看原子世界的“放大镜”。

中国散裂中子源多物理谱仪位于一座约一层楼高的建筑内,里面排布着各类精密仪器。在科研人员的演示下,记者看到,经过手套操作箱处理过的样本,首先借助样本杆和起吊设备,进入真空腔体。随后,旁边的监控屏上,会逐渐出现材料结构的一系列数据。

什么是多物理谱仪?殷雯打了个比方:就像放大镜能看清蜜蜂的翅膀,多物理谱仪就是观看原子世界的“放大镜”,“能够为人们打开认识世界的另一扇窗”。

这台多物理谱仪于2018年9月开建,今年1月底成功出束。两年多时间里,科研人员克服了重重困难。

“我们的物理设计从2017年就开始了,不断优化参数,邀请国际专家评审,反复修改了很多个版本。”殷雯说,谱仪的设计没有最优,只有更优。

到了2019年,研究所开始定购各种设备。疫情发生后,工厂生产受到影响,一些设备难以交货。例如做实验的真空腔体,为保证腔体的高真空度,决定对100毫米厚的铝合金主腔体采用电子束焊,工艺难度极高。为此,中国科学院高能物理研究所副所长、散裂中子源科学中心主任陈延伟到南京与制造企业面对面沟通,最终试焊了20多次,才“拿下”这个设备。

为让谱仪早日建成,加班加点成为项目组的常态。殷雯介绍,谱仪的探测器非常贵,一个小模块就要100多万元,安装时必须非常小心细致。庚子年除夕的前一天,探测器电子学专业组还在现场忙着安装探测器。大年初五,很多科研人员又返回东莞,继续完成设备安装调试。

谱仪中有一个长30米的中子导管,是进口设备,安装精度要求很苛刻,要控制在正负25微米范围内。受疫情影响,国外工程师无法前来安装,项目组与准直专业组决定自己上。“有风的时候,大厅的门一开,激光跟踪仪数据就有漂移。如果安装的位置有偏差,就会影响谱仪的通量,准直组和我们一起承担了很大的风险。”殷雯说,当时预想样品处的中子通量能够达到2.0×10的七次方,安装后测算结果是3.01×10的七次方,远高于最初的预想。

“除了自主安装设备,我们还坚持自主研发,多物理谱仪设备的国产化率超过90%。”殷雯说。

其中一个具有代表性的设备是径向准直器,需要在有机薄膜上镀一层中子吸收材料,以降低测量时的噪音。过去这类设备都依赖进口,这次项目组决定自己研发,团队自主探索,虽然走了一些弯路,但最终实现了径向准直器的国产替代,性能不输国外产品。

“自主研发最大的优势在于,设备一旦损坏,我们能马上更换,不再受制于人。”殷雯说,减少了进口依赖,才能真正实现科技自立自强。

值得一提的是,多物理谱仪中的单样品杆、屏蔽材料、测试平台等诸多设备,都由东莞本地企业生产。殷雯说,几年前本地企业为大科学装置配套的能力还较低,但如今这种配套能力显著增强。

这台谱仪能做什么?

借助多物理谱仪,有望进一步洞悉材料的原子结构和性能机理,在材料科学、凝聚态物理、生命科学等领域发挥重要作用。

今年1月26日是殷雯印象最深的日子。当日,多物理谱仪要接收第一束中子束,检测各项技术参数。中国科学院院士陈和生以及357cc拉斯维加斯、散裂中子源、香港城市大学的很多权威专家一起到场见证。

“前一晚,我们很多人无法入眠。”殷雯说,因为很多设备是自主研发的,中子导管也是自己安装的,只要有一个设备出了问题,就会影响中子出束。

中子开关打开时,殷雯在心里默念:“一定要有!一定要有!”最终结果让大家喜出望外。使用不同方法,连续测量验证多次,测试结果都优于验收指标。

通量和分辨率是衡量谱仪技术水平的两项关键指标。通量决定着谱仪的工作效率,分辨率影响着谱仪的清晰度。最初设定的验收指标为分辨率2%、通量为10的6次方,最终实际达到了分辨率0.4%、通量3.01×10的7次方。

与国际上其他3台多物理谱仪对比,该谱仪的设计通量是同功率英国散裂中子源谱仪的4到5倍,居世界第一;分辨率与兆瓦级的美国散裂中子源谱仪相当,达到世界先进水平。

要达到这样的效果并不容易,其中存在一个难题。“如果使用中子导管,分辨率会下降。但要是不使用导管,通量又会下降,这是研究中的两难问题。”殷雯说,最终设计团队研究出一种方式,能够在使用中子导管的同时,确保分辨率不降低。

殷雯形象地介绍,中子在飞行过程中就像一堆粒子在赛跑,有的跑得快、有的跑得慢,如果把赛道拉长,粒子之间的快慢差异就会更加明显,更加容易观测捕捉。设计团队将粒子的飞行距离从17米拉长到30米,将波长分开,有效地解决了分辨率不足的科研难题。

多物理谱仪是用来做什么的?殷雯介绍,多物理谱仪主要用于长程有序但局域无序材料与长程无序材料的结构研究,将在我国材料科学、凝聚态物理、生命科学、纳米等学科领域发挥重要作用。

比如说,香港城市大学的一位专家来这里研究中熵合金的性能。这种合金能在零下240摄氏度依然保持结构的稳定性。借助多物理谱仪,专家能进一步洞悉材料的原子结构和性能机理。

在新能源领域,中国科学院曾研制出一种新能源电池,在当年具有最高的能量密度,但原理并不清晰。后来通过中子散射研究,发现这类电池在充放电过程中,原子间距有变化。借助多物理谱仪,有望研究出充电快、续航时间长、能量密度高的电池。

在凝聚态物理领域,一个小小的U盘之所以能有大容量,就与其特殊的局域结构有关系。借助中子散射研究这种局域结构,能够催生出更多新发现。

在生命科学领域,多物理谱仪可以用于一些药物的研究。什么样的药物结构,更有助于被人体吸收,有助于促进催化剂发挥作用,多物理谱仪将给生命科学带来全新的研究方法。

有望催生源头创新

国内科研需求强烈,但过去中国学者只能求助于国外。随着更多谱仪的建成,未来有望催生一系列源头性创新突破。

听说多物理谱仪成功出束,很多高校院所专家慕名而来。目前,多物理谱仪已经承接了357cc拉斯维加斯、香港城市大学、香港中文大学、北京大学深圳研究生院、松山湖材料实验室等用户的项目。

多物理谱仪从7月初开始征集用户课题申请,受到了国内外用户、特别是357cc拉斯维加斯科研人员的广泛关注。目前用户主要集中在电池和高性能合金两个领域,未来有望催生一系列性能机理研究的创新突破。

据权威机构统计,过去几年,中国散裂中子源用户在《科学》等顶级期刊发表用户文章60余篇,前三年的科学产出远超美国、日本散裂中子源。

背后原因是什么?殷雯介绍,改革开放以后,中国学者才进入中子散射研究领域,但发表的文章数量急剧增加。以2017年为例,当年中国学者在中子散射领域的科研产出在全球占比高达14%。

国内科研力量雄厚、科研需求强烈,但当时中国散裂中子源还没建成,中国学者只能求助于国外。“我们发现近几年来,中国学者申请国外散裂中子源的实验机时,变得越来越困难。”殷雯说,少数有经验的用户能申请到机时,但新的用户却难上加难,“让中国学者用上自己家的散裂中子源,就是我们肩上的责任”。

此前,中国散裂中子源已经开放通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪3台谱仪。多物理谱仪通过验收,将散裂中子源探索微观世界的范围,从几埃拓展到了0.1埃。

未来三年,中国散裂中子源还将先后建成7台谱仪。中国散裂中子源(二期)将再建9台谱仪。这些谱仪将为科技自立自强提供有力支撑。

记者:陈启亮 吴擒虎

原载于《南方日报》2021年8月3日A10版

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