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【光明日报】“超级显微镜”正式投入试运行

  

  1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,导致101名乘客死亡。调查发现,悲剧的元凶竟然是老化的车轮内部形成的裂纹。其实,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼,都存在着应力——它看不见摸不着,却决定着飞机、高铁等大型装备的安全和寿命。把它研究清楚,成为从根本上避免类似灾难发生的关键。

  科学家们发现,一种先进的大科学装置可以帮助他们“捕捉”到大型部件中的应力,这就是散裂中子源。日前,中国散裂中子源首次打靶成功,获得了中子束流,标志着这一大科学装置正式进入试运行阶段。中国科学家再也无须借助美国、英国和日本的散裂中子源装置进行研究,我国成为世界上第四个拥有散裂中子源这一“超级显微镜”的国家。在9月1日召开的新闻发布会上,中国科学院院士陈和生仍难掩激动:“首次获得中子束流的目标原定于今年秋天,如今提前实现,且调试进度大大超过国际上其他散裂中子源调试过程,这样的结果令人振奋。”

  看穿物质微观结构的利器 

  8月28日上午10点,在位于广东省东莞市大朗镇的中国散裂中子源靶站谱仪控制室里,工程总指挥陈和生一声令下,从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶。科研人员们紧张地凝视着控制系统的屏幕,期待见证工程历史性的一刻。10点56分,科研人员在靶站6号和20号中子束线中分别测量到中子能谱,散裂中子源顺利获得中子束流。

  “完全符合计算,试验一次成功,比预想的还要顺利!”陈和生说。

  理解散裂中子源,要从中子开始。中学物理课本中讲过,世界上的物质由分子和原子组成,而原子内部有原子核。原子核中就包含了中子。中子不带电且对某些原子核非常敏感的特性,使得它能够“拍摄”到材料的微观结构和内部运动规律,因此可以成为科学家们探测各种物质分子内部结构的“探针”,散裂中子源也被科学家们形容为“超级显微镜”。

  “假如将一个物质的分子比喻成一张大网,那原子核就是网中的节点,我们可以对这个大网抛出许多中子‘弹珠’,有的‘弹珠’会穿过这个网的孔,有的‘弹珠’则和网中节点、线发生碰撞,飞向不同方向。如果能够把所有‘弹珠’的轨迹都测量清楚,通过计算,便可以反推出网的结构,‘球’扔得越多,网的结构描绘越精准。”陈和生对散裂中子源原理给出了通俗的解释。

  用于探测物质结构的中子需要被大量制造,但中子十分不稳定,平均寿命不到15分钟,无法被直接用于科学研究。因此,一种能获得高性能中子的大科学装置——中子源应运而生。过去,科学家曾使用核反应堆制造中子源,随着近年来技术进步和安全评估的要求,散裂中子源成为更优质的选择。

  将成为国际上最先进的多学科交叉研究平台 

  虽然中子是如此微小,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的大科学装置,是各种高、精、尖设备组成的整体。

  目前世界上正在运行的三大散裂中子源分布在英国、美国和日本。为此,美国投资14亿美元,日本投资18亿美元,而我国预计总投入达到23亿元人民币。整个装置建在大朗镇工程区13米到18米的地下,一期工程占地400亩。“作为发展中国家的第一台散裂中子源,我们的性能和精度将相当于美国散裂中子源,设计思路却更加优化。”陈和生说。

  如此巨额的投入能为科技发展带来怎样的回报?

  据陈和生介绍,英美和日本此前曾用各自的散裂中子源进行锂电池、离子导电体、石化材料、飞机高铁材料等相关产业前沿技术的研究,中国散裂中子源也将成为国际上最先进的多学科交叉研究平台,除了本文开头提到的应力研究等中国相关产业发展的瓶颈问题,散裂中子源还可为我国材料科学、新能源、化学化工、电子器件等多个领域提供有力研究支撑,将大大加速我国相关领域的研究进程。

  如果应用于在深海高压环境下安全开采可燃冰,科学家可以在散裂中子源处模拟深海环境,研究可燃冰内部物质在压力释放的过程中取向和多重结构,由此找到合适的释放条件。

  如果应用于制药行业,由于一些药物成分主要从某些易挥发、易燃的有机溶剂中提取,制药化学废弃物的处理成本很高。研究人员可通过散裂中子源寻找到新手段,减少废弃物的产生,从而大大降低制药废弃物处理成本。

  散裂中子源也将成为科研成果转化的平台。8月11日上午,中国科学院院士王贻芳签署了中国散裂中子源首个产业化项目——硼中子俘获治疗(BNCT)项目。BNCT是一种利用中子射线照射进行肿瘤治疗的技术,能够有效杀死癌细胞而不损伤周边组织,具有安全性高、定位精确、价格相对低廉等特点,该项目有望在未来5年内成为全国治疗肿瘤疾病的一种新手段。

  “十年磨一剑”建立中国人自己的散裂中子源 

  2001年2月,在由当时的国家科委发起的香山科学会议上,专家们提出在中国建设散裂中子源的设想。为优化大科学装置在全国的布局,带动地区发展,2006年,散裂中子源选址东莞大朗。“为了如今历史性的一刻,我们期盼了10年。”陈和生说。

  据了解,中国散裂中子源是国家“十一五”期间立项、“十二五”期间重点建设的重大科技基础设施,由中国科学院和广东省共同建设,法人单位为中国科学院高能物理研究所,共建单位为中国科学院物理研究所。中国科学院从2006年起支持了相关关键技术的预研,攻克了诸多技术难题。加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,许多设备的研制达到国内外先进水平,设备国产化率达到96%以上,同时带动了相关企业的技术革新。

  散裂中子源原理涉及核物理,对于这样的大科学装置的安全性,许多人抱有疑虑。陈和生表示,与核反应堆不同,散裂中子源不是核装置,没有核燃料,动力来自电能。而对于电磁辐射等辐照影响,整个工程的辐照量低于国家标准的十分之一,一个人在散裂中子源附近待一年,所得到的辐照量仅相当于坐一次飞机,因此安全环保性很高。

  目前,世界上的另外三台散裂中子源都是开放的实验平台,全球的用户可以向散裂中子源装置提出需求,经过用户科学委员会对项目的筛选后,进行顺次排队实验。

  中国科学院高能物理研究所党委书记潘卫民表示,本次中国散裂中子源成功获得中子束流,标志着散裂中子源主体工程顺利完工,进入试运行阶段,预计2018年春天将作为公益性的大科学装置正式向国内外科研单位和企业用户开放,未来,散裂中子源还将向国家申请二期工程建设,包括新建谱仪等。

  (原载于《光明日报》 2017-09-04 08版)