走进中国散裂中子源:超级显微镜有“超能力”

中国散裂中子源加速器(局部)  李子锋摄

8月中旬,广东东莞。天气时晴时雨,空气潮湿、闷热。郁郁葱葱的荔枝林里,我国迄今为止已建成的、单项投资规模最大的大科学工程——中国散裂中子源正在进行暑期停机检修。
2018年8月23日,中国散裂中子源项目通过国家验收,正式投入运行。从那时起,这片昔日的荔枝林里,人气就起来了。
这里的年均公众参观访问量超1万人次。最火爆的一次线下科普活动中,科研人员半天就接待了6000人次,前来参观的小汽车一直从中国散裂中子源的大门口排到高速路口。不仅如此,科学界和产业界对中国散裂中子源机时的竞争也很激烈,项目申请书逐年成倍增加,以至于每100份申请书中只有29份能成功。
这台已运行4年的大装置为何如此“火爆”?趁着停机检修,《中国科学报》记者深入实地一探究竟。
红的、绿的、蓝的、黄的……
好看:五彩斑斓的“黑科技”
每年,中国散裂中子源都会放“暑假”——停机时间长达一个半月到两个月。这段时间,科研人员要给装置做“保养”。
中国散裂中子源是由国家发展改革委立项支持建设的国家重大科技基础设施,法人单位是中国科学院高能物理研究所。这个装置让中国成为继英国、美国、日本之后世界第4个拥有脉冲散裂中子源的国家。
散裂中子源常被比作“超级显微镜”,因为它能够用加速器加速质子打到靶上产生的中子,来探索物质微观结构。它的源头——加速器系统,像卧龙一般藏在地下。
地下17米,空调和新风系统让原本湿热的空气变得干爽。沿着亮绿色走道向前,人们能看见一个五彩斑斓的“黑科技”世界。
黄色的是可以让粒子“飞奔”起来的漂移管直线加速器系统,蓝色的是可以把粒子聚成一束的四极磁铁,红色的是可以让粒子以15度角“拐弯”的二极磁铁……
它们先是串成一条长串,之后又围出一个大环。长串部位是直线加速器,环形部位是快循环同步加速器。看似庞大、笨重的装备,安装精度要达到10微米到百微米级别,使得自然界微小的物质——质子能够按要求得到控制并加速。
一旦运行起来,每1秒钟,快循环加速器会像旅游大巴一样“接待”25波等待加速的负氢离子。每波负氢离子“上车”后,会转换为质子,并在0.02秒里沿着快循环同步加速器跑约20000圈,直到速度达到0.92倍光速。
接着,接近光速的质子束像“微型子弹”一样冲向重金属靶,金属靶的原子核被撞“碎”。科学家又用特殊装置把“碎片”里不带电的中子降速后,引入一台台谱仪中。
谱仪位于离加速器隧道不远的地方,同样五彩斑斓。
中国散裂中子源一期共建了3台谱仪,分别是有着绿色外壳的通用粉末衍射仪、小角中子散射仪,以及有着蓝色外壳的多功能反射仪。4年来,中国散裂中子源还与粤港澳大湾区高校、研究机构等合作建设了若干台谱仪,以满足全国及地方研究机构和企业的需求。
红的、绿的、蓝的、黄的……以靶站为中心,已经建成和正在建设的谱仪向四面伸展,让中国散裂中子源看起来像一朵绽放的七色花。
“我们的设备国产化率达到90%以上。”散裂中子源科学中心主任、中国科学院高能物理研究所副所长陈延伟告诉《中国科学报》,全国近百家合作单位完成了装置各项设备的研制与批量生产,许多设备达到国际领先或先进水平。
5000、97%、800、122%……
好用:超级显微镜的“超能力”
在中国散裂中子源,科研人员喜欢用数字说话。
最让他们自豪的一个数字是“5000”。在这里,时间不按年、月、日算,而是按小时算。“我们每年打靶提供中子束流的时间是5000个小时。”陈延伟说。
5000小时,意味着一年8700多小时里,中国散裂中子源大部分时间都在产生中子,开展实验。“国际上其他散裂中子源中,英国、日本每年的中子束流时间一般都在4000小时左右。”陈延伟说。
另一个让他们自豪的数字是“97%”。“2020年到2021年,我们的实际运行效率超过了97%,这是全球其他散裂中子源都无法达到的效率。”散裂中子源科学中心副主任、中国科学院高能物理研究所研究员王生说,实际运行效率是散裂中子源实际运行时间与计划运行时间的比值。数字越高,说明散裂中子源故障率越低,按计划运行的稳定性越好。
在描述中国散裂中子源的运行成效时,他们则喜欢用课题的数量来说明。“4年,中国散裂中子源开放运行8轮,共完成800余项课题,重点支持国家重大需求项目的机时。”陈延伟说。
面向世界科技前沿,他们开展了超级钢、分子筛吸附剂、量子材料等研究。
面向经济主战场,他们在高性能芯片、电池、材料、应力检测等领域,为钢铁研究总院、国电电力发展股份有限公司、中国石油天然气集团有限公司等高技术企业和研究机构提供了重要支撑。
面向国家重大需求,他们完成了航空航天发动机叶片应力测试,对“奋斗者”号焊接工艺进行验证。
面向人民生命健康,他们在2020年8月成功研制出我国首台具有完全自主知识产权的硼中子俘获治疗实验装置,并于今年7月底在东莞市人民医院开始安装。
好的数据和成果使用户像滚雪球一般激增。陈延伟介绍,目前,注册用户已超过3800人,2021至2022年度申请课题数同比增长了122%,课题申请的通过率为29%。
提功率、优性能、加终端、做交叉……
好谋:未来的“小目标”
日渐激增的机时申请和正在加剧的科技战,让中国散裂中子源的“升级”成为现实需求。
早在工程设计之初,科研人员就为装置升级预留了空间。正因如此,未来可以直接在一期工程的基础上升级改造。
陈延伟介绍,目前,中国散裂中子源已经完成一期全部设计指标。2020年2月,打靶束流功率达到100千瓦的设计指标,比原计划提前一年半;2022年2月,打靶束流功率达到125千瓦,超过设计指标25%,并且实现了稳定高效运行,大幅提高了装置性能。
提升打靶束流功率,会使装置在同等时间里产生更多中子,进而使实验时间缩短,样品分辨率提高。“就好比白天光线强时拍照,曝光时间会比晚上拍照时短,而且拍出来的照片也会更清晰。”陈延伟解释说。
科研人员未来的“小目标”之一,就是将打靶束流功率提升到500千瓦,让中子源变得更“亮”。
此外,散裂中子源科学中心副主任梁天骄介绍,中国散裂中子源升级改造后,有望覆盖用户需求的绝大部分领域,满足更多尺度结构和动力学表征,为多学科交叉研究提供更有力的支撑。
如今,趁着暑期停机检修,这里的科研人员正在为即将安装的新谱仪和实验终端做前期准备。对于该装置未来的进展,《中国科学报》将持续关注。
(原标题《走进中国散裂中子源——运行四周年,大装置里的“三好生”》)
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