位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)的中國散裂中子源。新華社記者劉大偉攝
新華社廣州9月26日電（記者全曉書、王攀、荊淮僑、劉藝煒）經(jīng)過兩個多月的暑期檢修，坐落在廣東省東莞市的中國散裂中子源26日開始新一輪開放運行。在接下來的四個月里，科研人員要將這臺巨型“超級顯微鏡”的束流功率穩(wěn)步提升到80千瓦，并用它來探測更多神奇材料的微觀結(jié)構(gòu)。
據(jù)中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部中子科學(xué)部副主任張俊榮介紹，新一輪開放吸引的常規(guī)課題申請數(shù)量達(dá)164項，比上一輪大幅增長，57項獲批開展實驗，其中1項來自國外，5項來自香港和澳門。“實驗對象主要涉及磁性材料、量子材料、鋰電池材料、頁巖、催化材料、高強鋼、高性能合金等。”
中國散裂中子源由中國科學(xué)院高能物理研究所承建，共建單位為中國科學(xué)院物理研究所，于2011年9月開工建設(shè)，總投資約23億元，2018年8月通過國家驗收，投入正式運行。它包括一臺直線加速器、一臺快循環(huán)同步加速器、一個靶站，一期三臺中子譜儀以及附屬設(shè)施。
探究材料的理想“探針”
人類探求微觀世界的過程，就是一部顯微鏡“升級史”。光學(xué)顯微鏡的誕生，使人類第一次看到了細(xì)胞和細(xì)菌的世界；而電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡的分辨率還要高1000倍左右，可以幫助科學(xué)家研究更小的病毒。隨著粒子物理的興起，人類對物質(zhì)的研究已經(jīng)深入到原子內(nèi)部，“超級顯微鏡”散裂中子源便應(yīng)運而生。
中國散裂中子源的快循環(huán)同步加速器。新華社記者劉大偉攝
中子由于不帶電，不易受到帶電質(zhì)子和電子的阻礙，能比其他粒子更為輕松地穿透物質(zhì)。中子束打到被研究的樣品上，大多數(shù)會不受任何阻礙而直接穿過，但有些中子會與樣品的原子核發(fā)生相互作用，其運動方向也會發(fā)生改變，向四周“散射”。科學(xué)家通過測量中子散射的軌跡及其能量和動量的變化，就可以精確地反推出被測樣品的結(jié)構(gòu)。
中科院高能所東莞分部副主任金大鵬舉例說，在能源材料領(lǐng)域，氫動力汽車比以汽油為燃料的汽車更加節(jié)能環(huán)保，科學(xué)家希望以密度更高的固體形式存儲氫，但是給氫氣加壓又容易引發(fā)爆炸，于是，科學(xué)家就嘗試用一種金屬—有機框架（MOF）材料，它可以把氫氣吸進去，用的時候再把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學(xué)家研究氫氣在這種材料的什么位置、以及什么情況下更好地儲存和釋放出來。
正是利用了中子在探測物質(zhì)材料方面的優(yōu)勢，中國散裂中子源首批建設(shè)的三臺供科學(xué)實驗用的中子譜儀，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。
“從去年9月至今年6月，中國散裂中子源先后進行兩輪開放運行，用戶申請十分踴躍，機時供不應(yīng)求，共完成用戶課題101個，其中來自香港地區(qū)以及國外的用戶課題11個。”張俊榮說。
香港大學(xué)用戶正在進行實驗。中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部供圖
今年上半年，從事材料研究的香港大學(xué)黃明欣副教授就利用中國散裂中子源做了一項有關(guān)高強度鋼結(jié)構(gòu)性能的實驗。高強鋼作為汽車行業(yè)的熱門材料，既要輕又要結(jié)實安全。黃明欣對其團隊研發(fā)的超級配分鋼進行了細(xì)致測試，發(fā)現(xiàn)了新的位錯機理，為設(shè)計更高屈服強度和延展率的鋼材料提供了重要參考。
黃明欣不僅對實驗結(jié)果十分滿意，而且對散裂中子源近在咫尺帶來的便捷感觸頗深。此前，他曾向日本散裂中子源申請機時，要先設(shè)計好實驗步驟，然后把材料寄到日本，對方做完實驗后再把數(shù)據(jù)回傳給他。現(xiàn)在，從香港出發(fā)，一個半小時車程就能到達(dá)位于東莞大朗鎮(zhèn)的中國散裂中子源，“就像在自家門口”。
“接下來，我們希望用三到四年時間，再規(guī)劃建設(shè)5到7臺用戶譜儀，包括工程材料衍射儀、大氣中子輻照譜儀、全散射多物理譜儀等。”金大鵬說。
不可思議的調(diào)試難度和速度
中國散裂中子源是繼英、美、日之后，世界第四臺脈沖散裂中子源。雖然建成較晚，但中國科研人員對實驗設(shè)備的高效率調(diào)試卻令國外同行嘖嘖驚嘆。
功率是衡量散裂中子源性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。驗收時，中國散裂中子源的功率達(dá)到20千瓦，預(yù)期三年內(nèi)達(dá)到設(shè)計功率100千瓦。
工程師在中國散裂中子源檢查直線加速器工作情況。新華社記者劉大偉攝
在正常狀態(tài)下，中子被緊緊束縛在原子核內(nèi)，自然界中盡管存在自由中子，但壽命很短且不易收集，散裂中子源正是一座巨大的“中子工廠”。“功率越高，產(chǎn)生的中子就越多，樣品散射的中子信號就越強，實驗速度就會更快，實驗獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量也會更好。”金大鵬說。
但是，整個中子源的運行功率只能逐步提升。金大鵬解釋說：“我們是十千瓦、十千瓦， 甚至五千瓦、五千瓦地往上提升，因為要看在更高的功率負(fù)荷下所有部件的運行是否和設(shè)計一致，要觀察加速器、靶站、譜儀能不能很好地工作。”
中國散裂中子源物理組負(fù)責(zé)加速器的總體設(shè)計，下面對應(yīng)著十幾個硬件系統(tǒng)，涉及幾千套設(shè)備。過去一年里，他們在每一個功率水平上都對這些設(shè)備的參數(shù)進行了反復(fù)調(diào)試，以求找到最優(yōu)的組合。
據(jù)中國散裂中子源物理組科研人員許守彥介紹，他們要把束流時間誤差控制在納秒級別，一納秒相當(dāng)于十億分之一秒，這就要求他們的調(diào)試比測量儀器還精確。“但參數(shù)組合實在太多了，任何一個小問題都可能是成百上千套設(shè)備的誤差混合在一起產(chǎn)生的。”
中國散裂中子源運行管理人員在檢修快循環(huán)同步加速器。新華社記者劉大偉攝
英國和日本的散裂中子源加速器都經(jīng)歷十年調(diào)試才達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。“最開始調(diào)試時，我們發(fā)現(xiàn)環(huán)形加速器上有兩個設(shè)備不同步，差了100微秒，也就是0.1毫秒。根據(jù)國際同行的經(jīng)驗，就算花上一個月去找問題根源，也很正常。幸運的是，我們當(dāng)天就找到了引發(fā)誤差的原因。”許守彥說。
“因為別人走過的彎路我們沒有走，還有就是中國人干活更拼一些。”許守彥笑著解釋說，“加班加點是常事，我曾經(jīng)連續(xù)工作過三十六七個小時不休息，當(dāng)時一點都不困。以前只能在電腦上模擬演算，當(dāng)真正看到設(shè)備運行每一步都達(dá)到了預(yù)期，真的非常興奮，迫不及待想要進行下一步測試。”
科學(xué)家們最終希望將中國散裂中子源的功率從100千瓦提高到500千瓦。為此，他們在初始設(shè)計階段就預(yù)留了進一步改造和提升的空間。目前，科研人員已經(jīng)著手進行加速器二期升級的設(shè)計。
“我們學(xué)物理，最大的樂趣就是能夠不斷探索、不斷接近事物的本質(zhì)原理，散裂中子源是幫助我們實現(xiàn)這一夢想的平臺。”許守彥說。
