“超級顯微鏡”投入試運行 可為多領(lǐng)域提供研究支撐

     1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，導(dǎo)致101名乘客死亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，悲劇的元兇竟然是老化的車輪內(nèi)部形成的裂紋。其實，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼，都存在著應(yīng)力——它看不見摸不著，卻決定著飛機、高鐵等大型裝備的安全和壽命。把它研究清楚，成為從根本上避免類似災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵。
 　　科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種先進的大科學(xué)裝置可以幫助他們“捕捉”到大型部件中的應(yīng)力，這就是散裂中子源。日前，中國散裂中子源首次打靶成功，獲得了中子束流，標(biāo)志著這一大科學(xué)裝置正式進入試運行階段。中國科學(xué)家再也無須借助美國、英國和日本的散裂中子源裝置進行研究，我國成為世界上第四個擁有散裂中子源這一“超級顯微鏡”的國家。在9月1日召開的新聞發(fā)布會上，中國科學(xué)院院士陳和生仍難掩激動：“首次獲得中子束流的目標(biāo)原定于今年秋天，如今提前實現(xiàn)，且調(diào)試進度大大超過國際上其他散裂中子源調(diào)試過程，這樣的結(jié)果令人振奮。”
 　　看穿物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的利器
 　　8月28日上午10點，在位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)的中國散裂中子源靶站譜儀控制室里，工程總指揮陳和生一聲令下，從加速器引出的質(zhì)子束流首次打向金屬鎢靶?？蒲腥藛T們緊張地凝視著控制系統(tǒng)的屏幕，期待見證工程歷史性的一刻。10點56分，科研人員在靶站6號和20號中子束線中分別測量到中子能譜，散裂中子源順利獲得中子束流。
 　　“完全符合計算，試驗一次成功，比預(yù)想的還要順利！”陳和生說。
 　　理解散裂中子源，要從中子開始。中學(xué)物理課本中講過，世界上的物質(zhì)由分子和原子組成，而原子內(nèi)部有原子核。原子核中就包含了中子。中子不帶電且對某些原子核非常敏感的特性，使得它能夠“拍攝”到材料的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運動規(guī)律，因此可以成為科學(xué)家們探測各種物質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“探針”，散裂中子源也被科學(xué)家們形容為“超級顯微鏡”。
 　　“假如將一個物質(zhì)的分子比喻成一張大網(wǎng)，那原子核就是網(wǎng)中的節(jié)點，我們可以對這個大網(wǎng)拋出許多中子‘彈珠’，有的‘彈珠’會穿過這個網(wǎng)的孔，有的‘彈珠’則和網(wǎng)中節(jié)點、線發(fā)生碰撞，飛向不同方向。如果能夠把所有‘彈珠’的軌跡都測量清楚，通過計算，便可以反推出網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，‘球’扔得越多，網(wǎng)的結(jié)構(gòu)描繪越精準(zhǔn)。”陳和生對散裂中子源原理給出了通俗的解釋。
 　　用于探測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的中子需要被大量制造，但中子十分不穩(wěn)定，平均壽命不到15分鐘，無法被直接用于科學(xué)研究。因此，一種能獲得高性能中子的大科學(xué)裝置——中子源應(yīng)運而生。過去，科學(xué)家曾使用核反應(yīng)堆制造中子源，隨著近年來技術(shù)進步和安全評估的要求，散裂中子源成為更優(yōu)質(zhì)的選擇。
 　　將成為國際上最先進的多學(xué)科交叉研究平臺
 　　雖然中子是如此微小，但產(chǎn)生強中子束的散裂中子源卻是異常龐大的大科學(xué)裝置，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。
 　　目前世界上正在運行的三大散裂中子源分布在英國、美國和日本。為此，美國投資14億美元，日本投資18億美元，而我國預(yù)計總投入達到23億元人民幣。整個裝置建在大朗鎮(zhèn)工程區(qū)13米到18米的地下，一期工程占地400畝。“作為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，我們的性能和精度將相當(dāng)于美國散裂中子源，設(shè)計思路卻更加優(yōu)化。”陳和生說。
 　　如此巨額的投入能為科技發(fā)展帶來怎樣的回報？
 　　據(jù)陳和生介紹，英美和日本此前曾用各自的散裂中子源進行鋰電池、離子導(dǎo)電體、石化材料、飛機高鐵材料等相關(guān)產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)的研究，中國散裂中子源也將成為國際上最先進的多學(xué)科交叉研究平臺，除了本文開頭提到的應(yīng)力研究等中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，散裂中子源還可為我國材料科學(xué)、新能源、化學(xué)化工、電子器件等多個領(lǐng)域提供有力研究支撐，將大大加速我國相關(guān)領(lǐng)域的研究進程。
 　　如果應(yīng)用于在深海高壓環(huán)境下安全開采可燃冰，科學(xué)家可以在散裂中子源處模擬深海環(huán)境，研究可燃冰內(nèi)部物質(zhì)在壓力釋放的過程中取向和多重結(jié)構(gòu)，由此找到合適的釋放條件。
 　　如果應(yīng)用于制藥行業(yè)，由于一些藥物成分主要從某些易揮發(fā)、易燃的有機溶劑中提取，制藥化學(xué)廢棄物的處理成本很高。研究人員可通過散裂中子源尋找到新手段，減少廢棄物的產(chǎn)生，從而大大降低制藥廢棄物處理成本。
 　　散裂中子源也將成為科研成果轉(zhuǎn)化的平臺。8月11日上午，中國科學(xué)院院士王貽芳簽署了中國散裂中子源首個產(chǎn)業(yè)化項目——硼中子俘獲治療(BNCT)項目。BNCT是一種利用中子射線照射進行腫瘤治療的技術(shù)，能夠有效殺死癌細(xì)胞而不損傷周邊組織，具有安全性高、定位精確、價格相對低廉等特點，該項目有望在未來5年內(nèi)成為全國治療腫瘤疾病的一種新手段。
 　　“十年磨一劍”建立中國人自己的散裂中子源
 　　2001年2月，在由當(dāng)時的國家科委發(fā)起的香山科學(xué)會議上，專家們提出在中國建設(shè)散裂中子源的設(shè)想。為優(yōu)化大科學(xué)裝置在全國的布局，帶動地區(qū)發(fā)展，2006年，散裂中子源選址東莞大朗。“為了如今歷史性的一刻，我們期盼了10年。”陳和生說。
 　　據(jù)了解，中國散裂中子源是國家“十一五”期間立項、“十二五”期間重點建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，由中國科學(xué)院和廣東省共同建設(shè)，法人單位為中國科學(xué)院高能物理研究所，共建單位為中國科學(xué)院物理研究所。中國科學(xué)院從2006年起支持了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研，攻克了諸多技術(shù)難題。加速器、靶站和譜儀工藝設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國近百家合作單位完成，許多設(shè)備的研制達到國內(nèi)外先進水平，設(shè)備國產(chǎn)化率達到96%以上，同時帶動了相關(guān)企業(yè)的技術(shù)革新。
 　　散裂中子源原理涉及核物理，對于這樣的大科學(xué)裝置的安全性，許多人抱有疑慮。陳和生表示，與核反應(yīng)堆不同，散裂中子源不是核裝置，沒有核燃料，動力來自電能。而對于電磁輻射等輻照影響，整個工程的輻照量低于國家標(biāo)準(zhǔn)的十分之一，一個人在散裂中子源附近待一年，所得到的輻照量僅相當(dāng)于坐一次飛機，因此安全環(huán)保性很高。
 　　目前，世界上的另外三臺散裂中子源都是開放的實驗平臺，全球的用戶可以向散裂中子源裝置提出需求，經(jīng)過用戶科學(xué)委員會對項目的篩選后，進行順次排隊實驗。
 　　中國科學(xué)院高能物理研究所黨委書記潘衛(wèi)民表示，本次中國散裂中子源成功獲得中子束流，標(biāo)志著散裂中子源主體工程順利完工，進入試運行階段，預(yù)計2018年春天將作為公益性的大科學(xué)裝置正式向國內(nèi)外科研單位和企業(yè)用戶開放，未來，散裂中子源還將向國家申請二期工程建設(shè)，包括新建譜儀等。
 　　編輯點評
 　　散裂中子源可為我國材料科學(xué)、新能源、化學(xué)化工、電子器件等多個領(lǐng)域提供有力研究支撐，將大大加速我國相關(guān)領(lǐng)域的研究進程。我國散裂中子源首次打靶成功，獲得了中子束流，正式投入試運行。意味著我國成為世界上第四個擁有散裂中子源這一“超級顯微鏡”的國家，意義重大。