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中原散裂中子源:“一级显微镜”带您格物探微

2019-10-16 17:53
散裂中子源:窥探物质结构的“超级显微镜”

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走近大科学工程

中国散裂中子源靶站受访者供图

本报记者 李大庆

3月2日,继物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁到访后,位于广东东莞的中国散裂中子源基地又迎来了新一波参观的客人。中科院院士陈和生向来访的外国驻港领团、商会、媒体考察团一行详细介绍了粤港澳大湾区的首个国家重大科技基础设施——中国散裂中子源。

万家彩票平台,从事材料研究的香港大学副教授黄明欣离不开实验。前不久,他和自己的博士生一起到广东东莞中国散裂中子源,利用两天时间做了一项有关高强度钢结构性能的实验。稍有遗憾的是,他们申请的实验时间有点不够。好在香港离东莞很近,一个半小时的车程就能到达。经过再次申请实验机时,黄明欣的两个博士生又去CSNS做了后续实验,拿到了完整的数据。

今年春节前夕,CSNS圆满完成了首轮开放运行任务,加速器束流功率提升至50千瓦以上。CSNS工程总指挥、工程经理陈和生院士说,首轮开放运行期间,共有来自新能源、磁性材料、高性能合金、高分子、纳米、生物材料等研究领域的40项用户课题(含8项快速申请课题)上机实验,取得了多项重要成果。

“太方便了,就像在自家门口。”黄明欣告诉科技日报记者,他所研究的高强钢是汽车应用的研究重点。它既需要轻量化,又要提升汽车安全性。黄明欣团队成为CSNS通用粉末衍射仪的首位香港用户,借此,他们获得了高强钢在不同组织结构及不同变形条件下的重要微观参数信息。

从无到有 实现重大跨越

在此前的实验中,他曾向日本散裂中子源申请机时,设计好实验步骤,然后把材料寄到日本。“他们做好实验之后,把数据传给我们。”现在,近在咫尺的东莞有了CSNS,这对黄明欣太方便了。

2000年7月,中国科学院在向国家科教领导小组提交的“中国高能物理和先进加速器发展目标”报告中提出建设中国散裂中子源的设想。2011年10月,CSNS装置奠基,2012年5月,工程土建动工。经过6年半的建设,2018年3月,CSNS按期、高质量完成了全部工程建设任务,并通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。中国人从此拥有了自己的散裂中子源。

作为国家大科学工程,CSNS的建成,为粤港澳大湾区的科学研究和技术进步搭建了世界一流的平台。

CSNS建在13米到18米深的地下,其中直线加速器隧道长240米,环形加速器周长228米,相当于半个足球场大小。其建设内容包括一台8千万电子伏特的直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪。

利用中子散射的轨迹反推物质结构

CSNS的建成,填补了国内脉冲中子应用领域的空白,为材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等诸多领域的基础研究和高新技术开发提供了强有力的研究平台。它的投入运行,对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术等具有重要意义。

CSNS是由中科院和广东省共同建造的,是继英、美、日之后世界上第4个脉冲散裂中子源装置。它被称为“超级显微镜”。

国家验收委员会专家认为,CSNS的性能全部达到或优于批复的验收指标。装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,靶站最高中子效率和三台谱仪综合性能达到国际先进水平。通过自主创新和集成创新,CSNS在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果,显著提升了我国在高功率散裂靶、磁铁、电源、探测器及电子学等领域的产业技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。

散裂中子源则是通过散裂反应产生中子,利用中子散射技术开展研究,是探索物质微观结构和动态的有力手段。中子和光一样,具有波粒二象性,既有波的性质,可以反射、折射、衍射;也具有粒子的性质,可以弹射、吸收等。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中科院院士陈和生说,中子束打到样品上,大多数会不受任何阻碍穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周散射。“我们测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的微观结构和动态。”

探秘微观 深入认知世界

对于散射的一个形象比喻是:假如我们面前有一道看不见的墙,我们扔过去一个乒乓球,根据球的入射角和反射角我们可判断球的抛入点是不是平的。如果我们扔过去极多的乒乓球,根据入射角和反射角,我们就知道这面墙的情况。

通俗来说,CSNS是用中子散射的方式来探索微观世界的工具,陈和生形象地称它就像“超级显微镜”,是研究物质材料微观结构的理想探针。

散裂中子源探测氢氧锂等有天然优势

在现代科学诞生之前,人类是用肉眼观察世界。后来,科学家发明了光学显微镜,我们第一次看到了肉眼无法直接观察到的微观世界。而电子显微镜比光学显微镜的分辨率还要高1000倍左右,可以看到更小的病毒。人类对微观世界的探索随着技术手段的提高,越来越走向深入,“超级显微镜”散裂中子源应运而生。

以同步辐射为光源的上海光源也曾被称为“超级显微镜”。同步辐射和中子散射尽管都能探究物质的内部结构,但二者是有区别的。中科院高能所东莞分部副主任梁天骄说,同步辐射X射线与原子核外的电子相互作用,散射强度正比于原子序数,对含有电子数目较多的原子敏感,但对探测原子数目较少的原子如氢原子等轻元素就比较困难了。在这方面,中子散射则具有优势。它与原子核相互作用的散射强度与原子序数无关,不仅可区分同位素和相邻元素,也可以区分碳、氢、氧等轻元素。因此,研究含有大量氢、氧、氮原子的聚合物与生物大分子,中子散射具有优势。

中子散射是探索物质微观结构的有力手段之一。中子和光一样,具有波粒二象性,既有波的性质,可以反射、折射、衍射、吸收,也具有粒子的性质,可以弹射、散射等。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上,大多数会不受任何阻碍地穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周散射。测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的结构。

在能源材料领域,氢动力汽车无疑比汽油车更加节能环保。如何实现氢的稳定储存?科学家希望提高氢的存储密度便于携带。最简单的办法是给氢气加压,但加高压就容易带来安全问题。为此,科学家用一种金属—有机框架材料,把氢气吸进去,等用的时候再把氢气释放出来。利用散裂中子源实验就可以帮助科学家了解氢存贮在材料的什么位置,在什么情况下氢可以很好地释放出来。

中子散射和我们熟悉的X射线类似。X射线散射对含电子数目多的原子比较敏感,但要探测氢原子等轻元素就十分困难了。中子散射则对原子核敏感,特别是对碳、氢、氧等原子核敏感,还可以区分同位素。研究含有大量氢、氧、氮原子的生物大分子,中子散射具有更大的优势。

锂也是原子序数较小的元素,用同步辐射光源难以看到锂在材料微观结构中的位置。目前,大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,而散裂中子源就是研究锂电池的利器。科研人员可以将锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时地原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分微观结构的变化,构建结构—性能关系,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。

首轮开放 运行效果良好

梁天骄说,科研中需要研究样品在多种环境条件下的状态,既要研究它在常温常压下的情况,更希望了解它在不同温度、压力、电场、磁场以及原位等条件下的变化,这就需要把样品放到提供环境条件的设备里。中子穿透能力极强,科研人员能够开展多种环境条件下的实验。

在产业中如何应用这台“超级显微镜”?陈和生举了几个例子。

助推粤港澳大湾区建设国际科技创新中心

“在氢动力汽车研发中,要实现氢气的稳定储存,方法之一就是用一种金属-有机框架材料把氢气吸进去,要用的时候再把氢气释放出来。而中子散射可以帮助科学家研究氢气存在金属的什么位置、什么情况下可以更好地释放。”陈和生告诉记者,这正是散裂中子源应用的一个具体案例。

“自去年秋天CSNS正式运行以来,我们全面推进装置的开放共享,吸引了国内外大量的科研与工业用户开展实验研究,助推了粤港澳大湾区国际科技创新中心的建设。CSNS的优异特性,使它在材料学、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景。这就为国内外特别是粤港澳大湾区的科技及产业发展创造了良好条件。”中科院高能物理所东莞分部主任陈延伟说。

此外,中子散射还是锂电池研究的利器。“大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,可以将汽车锂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,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。国外的散裂中子源都建设了这样专门研究锂电池的谱仪,且严加保密。”陈和生补充说,“此外,可燃冰、磁性材料以及化学反应催化剂的原位研究等,都必须使用散裂中子源。”

中子对轻原子更敏感的特点,使它在锂电池等的研究中大显身手。

CSNS启动运行后,国内外用户申请非常踊跃,大科学装置的综合效应开始逐步显现。首轮共收到用户课题申请62项,覆盖能源、磁性、合金、高分子、纳米、生物材料等研究领域。经过专家评审,32项用户课题(含5项国外用户课题)获批实验机时。为了使用户更好地开展中子散射研究,CSNS还举办了“中子科学与技术在电池领域中的应用前沿研讨会”“可燃冰研发中的中子科学技术应用研讨会”“散裂中子源在催化、能源、材料及相关过程的应用前沿研讨会”等专题会议。

CSNS发表的第一篇用户实验研究成果论文就是有关锂电池的,是由北京大学深圳研究生院、CSNS通用粉末衍射谱仪等相关课题组共同完成,发表在《纳米能源》杂志上。这项研究在锂离子电池正极材料结构特性和形成机理方面取得重要进展。

陈和生介绍,首轮开放中,还基于CSNS的反角白光中子实验装置全面开展了用户实验,包括5个重要核数据的测量实验,这些核数据是新一代核能工程所需要的或者测量实验是基础核物理和核天体物理的重要研究内容;开展了200多个集成电路芯片的高能中子单粒子效应研究;开展了利用中子辐照研发新型半导体材料的实验等。

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