“中国“超级显微镜”开启新一轮微观世界探秘之旅”

位于广东省东莞市大朗镇的中国分裂中子源。 总公司记者刘大伟摄

我司广州9月26日电(记者全晓书、王攀、荆淮侨、刘艺彤) ) )经过两个多月的暑期检修，位于广东省东莞市的中国散裂中子源26日开始了新一轮的开放运行。 在接下来的四个月中，科学家们必须稳步地将这个巨型超显微镜的束流功率提高到80千瓦，并使用它来检测越来越多魔法材料的微观结构。

据中国科学院高能物理研究所东莞支部中子科学部副主任张俊荣介绍，新增开放吸引常规课题申请数量达到164件，比上次大幅增加，57件来自海外，5件来自香港和澳门。 实验对象主要涉及磁性材料、量子材料、锂电池材料、页岩、催化材料、高强度钢、高性能合金等。

中国散裂中子源由中国科学院高能物理研究所建设，共建单位为中国科学院物理研究所，年9月开工建设，总投资额约23亿元，年8月通过国家验收并投入正式运行。 这包括直线加速器、高速循环同步加速器、目标站、一期3台中子谱仪和附属设施。

探索材料的理想探针

人类探索微观世界的过程，就是显微镜的升级史。 光学显微镜的诞生，让人类第一次看到细胞和细菌世界的电子显微镜比光学显微镜的分辨率高1000倍左右，有助于科学家研究更小的病毒。 随着粒子物理的兴起，人类对物质的研究深入到原子内部，产生了超显微镜对中子源的散射。

中国分裂中子源的高速循环同步加速器。 总公司记者刘大伟摄

由于中子不带电，所以不易被带电的质子和电子阻碍，比其他粒子更容易透过物质。 击中研究对象试料的中子大多毫无障碍地直接通过，但其中有些与试料的原子核发生相互作用，其运动方向也发生变化并向周围散射。 科学家通过测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化，可以准确地反推被测物体的结构。

中科院高能所东莞分部副主任金大鹏表示，在能源材料行业，氢动力汽车比以汽油为燃料的汽车更节能、更环保。 科学家想以更高密度的固体形式储存氢，但对氢气施加压力容易引起爆炸。 于是，科学家试图使用吸入氢气，在使用时释放氢气的金属有机框架( mof )材料。 中子散射有助于科学家研究这种材料的哪里有氢气，在什么情况下更好地储存和释放氢气。

利用中子在探测物质材料方面的特点，我国散射中子源最先进建设的三台科学实验用中子谱仪，已经取得了丰硕的研究成果。

从去年9月到今年6月，中国分裂中子源相继进行了两次开放运行，客户申请十分活跃，机时难求，完成了客户课题101个，其中来自香港地区和海外的客户课题11个。 张俊荣说。

香港大学的客户正在进行实验。 中国科学院高能物理研究所东莞分部供应图

今年上半年，从事材料研究的香港大学副教授黄明欣利用中国散射中子源进行了高强度钢结构性能的实验。 高强钢作为汽车领域的热门材料，必须轻便、结实、安全。 黄明欣对团队开发的超分配钢进行了细致的测试，发现了新的位错机理，为设计更高屈服强度和延伸率的钢材料提供了重要的参考。

黄明欣不仅对实验结果非常满意，而且还深感散射中子源近在咫尺带来的便利。 此前，他在日本分散中子源申请机器时，必须先设计实验步骤，然后将材料发送到日本，等对方完成实验后再将数据发回他处。 现在从香港出发，开车一个半小时就到达东莞大朗镇的中国分裂中子源。 就好像在自己家门口一样。

接下来，我们打算用3到4年的时间，计划建设5到7台客户谱仪，包括工程材料衍射装置、大气中子照射装置、全散射多物理装置等。 金鹏说。

难以置信的调试难度和速度

中国的分裂中子源是继英、美、日之后世界上第四台脉冲分裂中子源。 虽然完成得晚，但中国的科研人员对实验设备的有效调整让海外同行感到惊讶。

功率是衡量散射中子源性能优劣的重要指标。 检测时，中国裂变中子源功率将达到20千瓦，预计3年内设计功率将达到100千瓦。

工程师用中国分裂中子源检查线性加速器的工作情况。 总公司记者刘大伟摄

在正常状态下，中子被牢牢地封闭在原子核内，尽管自然界中存在自由中子，但寿命短，难以收集。 分裂中子源正是一个巨大的中子工厂。 功率越高，产生的中子越多，样品散射的中子信号越强，实验速度越快，实验得到的数据质量也越好。 金鹏说。

但是，中子源整体的运行功率只能阶段性上升。 金鹏做了如下说明。 “我们的功率分别上升十千瓦、十千瓦、五千瓦、五千瓦。 在更高的电力负荷下，要看所有部件的运行是否与设计一致，所以要注意加速器、目标站、谱仪能否顺利工作。

中国散裂中子源物理集团负责加速器的总体设计，以下对应十几个硬件系统，涉及数千套设备。 在过去的一年里，他们在所有电力水平上反复调整这些设备的参数，以求找到最佳组合。

中国散射中子源物理小组的科研人员许守彦表示，他们必须将束流时间误差控制在纳秒级别，纳秒相当于十亿分之一秒，要求比测量仪更准确的调整。 但是，参数组合太多了，任何小问题都有可能混杂成百上千的设备误差而发生。

中国散射中子源运行管理员正在检查高速循环同步加速器。 总公司记者刘大伟摄

英国和日本的散射中子源加速器都经过10年的调整达到了设计指标。 在第一次调试中，我们发现两个设备与环形加速器不同步，相差100微秒，即0.1毫秒。 根据国际同行的经验，花一个月寻找问题的根源也很正常。 幸运的是，我们在那天找到了误差的原因。 许守彦说。

因为别人走过的弯路我们没走，剩下的就是中国人有更多的工作。 许守彦笑着解释说。 加班是常事，我连续工作过三十六、七个小时，当时不困。 以前只能用计算机进行模拟运算，但实际上看到设备的运行每一步都达到了预期，真的很兴奋，迫不及待想进行下一个测试。

科学家们希望最终将中国分裂中子源的电力从100千瓦提高到500千瓦。 因此，他们在初期设计阶段确保了进一步改造和提高的空之间。 目前，科研人员已经着手设计加速器二期升级。

我们学习物理最大的乐趣就是不断探索事物的本质原理，不断接近，分裂中子源是帮助我们实现这个梦想的平台。 许守彦说。

原题:中国的“超级显微镜”将开启新的微观世界探索之旅

值班主任:田艳敏

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