攻克中國大量難題的“超級顯微鏡”究竟有多厲害

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導(dǎo)語：不久前，中子衍射譜儀成功出束，標(biāo)志著我國已經(jīng)建成了世界一流的大型中子散射多學(xué)科研究平臺。這臺“超級顯微鏡”作為國家大科學(xué)裝置，被用于研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，為我國多學(xué)科在國際上取得一流成果提供重要的技術(shù)條件。

一、新“探針”：探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)

X射線主要與原子外圍的電子發(fā)生相互作用，但有可能導(dǎo)致電子的電離，破壞物質(zhì)本身；而中子不帶電、穿透性強，且不會破壞物質(zhì)，它直接與物質(zhì)的原子核相互作用，這使得中子成為了研究微觀結(jié)構(gòu)的理想媒介。與X射線不同，中子在探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)上有著一定的優(yōu)勢。

通過轟擊重原子產(chǎn)生中子

中子的來源主要依靠散裂反應(yīng)，主動制造和控制中子。離子源中產(chǎn)生的離子利用質(zhì)子加速器產(chǎn)生高能質(zhì)子束，轟擊重原子（例如鈾或鎢）的原子核，通常每個重原子核能轟擊出20-30個快中子，這樣的反應(yīng)能夠形成可用于探測規(guī)模的中子束。

基于上述的理論框架，我國的散裂中子源項目主要包括一臺負(fù)氫離子直線加速器、一臺快循環(huán)同步加速器、一個靶站和若干臺中子譜儀設(shè)備。

離子源中產(chǎn)生的離子束經(jīng)過初步的聚束和加速后，將剝離后的離子注入環(huán)形的快循環(huán)同步加速器中，使用環(huán)形加速器既可以一圈圈加速大大減小加速器的體積，又可以通過圈數(shù)逐級地控制質(zhì)子束能量。在經(jīng)過充分的諧振加速后，最終將功率為100kW的質(zhì)子束流打向鎢靶，從而形成散裂后的大量快中子，經(jīng)過慢化后被引向不同的中子譜儀進行研究。

散裂中子源結(jié)構(gòu)圖

利用這樣的設(shè)備和思路，散裂中子源形成的中子通量（單位時間內(nèi)的中子量）已經(jīng)超出了傳統(tǒng)反應(yīng)堆中子源（依靠核反應(yīng)堆提供中子）一個量級，并具備相當(dāng)程度的可調(diào)性，這對微觀結(jié)構(gòu)的成像效果有著很大意義。

二、系統(tǒng)集成：水平世界領(lǐng)先

“超級顯微鏡”總共占地約7萬平方米，目前的束流功率為100kW，并將在第二期提升至500kW，束流功率超越了世界上其他的散裂中子源。打靶質(zhì)子束能量最高增加至1.6GeV，重復(fù)頻率25Hz。整套系統(tǒng)總共預(yù)留了二十個孔道用于試驗。

散裂中子源主體結(jié)構(gòu)

相比反應(yīng)堆中子源，散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣。10^0-10^7eV寬廣能區(qū)的中子（指標(biāo)與美、日、英的散裂中子源類似）大大地擴展了中子科學(xué)研究的范圍。

內(nèi)部的加速器裝置

散裂中子源同時具備很強的可拓展性，它的能力隨著不斷集成不同的科學(xué)載荷慢慢提升，仍然具備極大的發(fā)展?jié)摿ΑＴ谧畛鯏?shù)臺譜儀的基礎(chǔ)上，散裂中子源工程將在二期利用完所有的孔道，總共配備二十臺譜儀，針對不同任務(wù)進一步提供多空間尺度、多能量范圍、多學(xué)科研究的表征手段。

此次測試的能量分辨中子成像譜儀（ERNI）超越了常規(guī)的中子照相，更精細(xì)地探測和成像晶體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)，尤其是對物質(zhì)深層做探測，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力測量分析做無損檢測和使用壽命估計。在未來，隨著孔道逐漸飽和，散裂中子源將在原本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加第二靶站及其相應(yīng)的孔道，繼續(xù)提升探測能力。

中子譜儀用于探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)

散裂中子源產(chǎn)生的放射性物質(zhì)總量約為反應(yīng)堆中子源的十萬分之一，幾乎不產(chǎn)生輻射。實驗室核心結(jié)構(gòu)由超高密度混凝土覆蓋，密度高達3600千克/立方米，這種材料主要由重晶骨料、硼玻璃粉等材料構(gòu)成，用于防止中子的逸散，這種特殊材料的使用能夠徹底消除中子輻射對大自然的影響。

三、科技創(chuàng)新：為多領(lǐng)域發(fā)展插上翅膀

作為科研的“基礎(chǔ)設(shè)施”，世界各國都正將建設(shè)高性能散裂中子源作為提升科研能力的重要舉措，紛紛提出了相關(guān)的建設(shè)計劃，目前只有英、美、日和中國擁有散裂中子源。

散裂中子源外景

科學(xué)家利用中子源探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)，記錄下中子的軌跡和相應(yīng)的磁矩變化后，可以通過計算推測出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及結(jié)合點的張力等參數(shù)。因此散裂中子源對于每個國家的材料科學(xué)、藥學(xué)、核科學(xué)等領(lǐng)域有著很強的指導(dǎo)意義。

在材料科學(xué)領(lǐng)域，先進軍用發(fā)動機的核心渦輪通常使用單晶葉片（在高溫狀態(tài)下承受極大應(yīng)力），而單晶葉片的生長方法需要通過不斷地試錯來獲得，散裂中子源的介入能夠大大加速單晶葉片的研發(fā)過程；高鐵車輪亦是對力學(xué)性能有很高要求的領(lǐng)域，使用散裂中子源進行成像能夠探知金屬疲勞，有助于預(yù)防重大事故。

在醫(yī)療領(lǐng)域，基于散裂中子源研發(fā)的新型放療手段“硼中子俘獲治療”也已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化階段，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞尺度的精準(zhǔn)治療。未來，散裂中子源有潛力替代目前的大型核反應(yīng)堆來提供中子，對醫(yī)療的便利性和安全性有所提升。

在新能源領(lǐng)域，它是新能源電池的研發(fā)利器。新能源電池的性能本質(zhì)上依賴于充放電產(chǎn)生的內(nèi)部離子反應(yīng)，解析這個過程能夠極大加速研發(fā)，而散裂中子源有力地支持了我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來加工精度和性能更高的固態(tài)電池研發(fā)更是與該設(shè)備息息相關(guān)。

環(huán)形快循環(huán)同步加速器

在核科學(xué)領(lǐng)域，散裂中子源對核能開發(fā)也有很大的意義。它能夠產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的原料——氚，根據(jù)估算，全球氚儲量僅為3.5千克且實際上無法收集，而一個散裂中子源每年能產(chǎn)生60克氚。核裂變能源的清潔化也是一種發(fā)展方向，高能的中子束有可能將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的長壽命放射性同位素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定同位素，減少核廢料帶來的危害。

結(jié)語：

作為世界上第四個投入使用的散裂中子源，其主要參數(shù)、中子束利用率和可拓展性上達到了國際領(lǐng)先水平。它將助力解決科學(xué)瓶頸問題，攻克產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，成為國家創(chuàng)新發(fā)展的“發(fā)動機”。