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走进国内首个中子散射科研平台探索科学的“微观世界”

中子散射不仅能告诉我们原子在哪里,还能告诉我们原子在做什么。在中国,建立自己的中子散射研究平台,自主开展中子散射实验研究,不仅是老一辈科学家的梦想,也是航空、航天、核工业等中国主要装备前沿研究领域的迫切需求。

伴随着中国第一个中子散射研究平台正式投入使用的好消息,2014年11月5日,我们走进中国工程物理研究所核物理与化学研究所,参观了这个让中国科学家能够用“自己的眼睛”辨别“微观世界”的主要研究设备。

“章鱼”及其“触须”原子核由两种粒子组成,一种是带正电荷的粒子质子,另一种是不带电荷的中性粒子中子。用中子确定物质微观结构的实验方法叫做中子散射。这就像把一束光打到半透明物体上。一些光穿过物体,一些光被反射或折射,这样可以从各个方向看到物体。中子散射可以获得x光和其他射线无法获得的物质的内部信息。

在核物理和化学研究所中子散射技术和应用实验室的显示屏上,我们第一次看到了这个怪物的全貌。它看起来像一只巨大的“章鱼”。它的“头”是中国绵阳研究堆,这是2012年6月国家批准的中国实验堆。它提供的冷中子和热中子束通过中子束供应管道的“触须”,进入不同距离的各种中子谱仪检测设备。科学家们已经通过这些设备完成了对各种物质的中子散射和中子成像的实验研究。

然后,在研究室主任孙光艾未未的领导下,我们接近了这些显示出魔力的“触须”。

离“头”最远的中子小角散射光谱仪不仅是长度超过33米的供束管,也是长度为13米、直径约2米的“大筒管”。它可以通过在线轴上来回移动“二维位置敏感探测器”来提供不同分辨率的散射图像。

”这是最遥远和准确的“千里眼”。33m内中子光路偏差不能超过0.01mm。从软件到控制几十个光学元件的协调的任何环节都不允许有偏差。这只是中子散射光谱仪安装的几十项要求中最基本的一项。”孙光喜欢表达。

中国第一台“高压中子衍射光谱仪”,可以测量和分析高压、低温、高温等不同条件下材料的晶体结构(包括磁性材料的磁性结构),可以说拥有自主研发的“钻石体”“原位中子衍射砧高压装置,最大压力超过10GPa,即超过大气压10万倍。自主设计制造的高低温器件的温度控制范围可以在-266℃到1000℃之间,这在不同温度下材料结构特别是磁性结构的研究中起着重要作用。

中子应力谱仪是“大力士”之一。它可以举起500公斤的样品,并在材料内部绘制三维应力分布图。无论其分辨率、光束强度和其他综合物理指标,还是其灵活性、自控和其他单位指标,都可以与国际反应堆源上最先进的光谱仪(如澳大利亚的KOWAI和法国的SALSA)相媲美。它曾被国际着名中子散射装置科学家谢恩肯尼迪(Shane Kennedy)博士评价为“一件好仪器”。最近,设备科学家已经使它集成了两种纹理测量功能。铝合金标准样品的测量结果与法国6T1装置完全一致,成为真正全面的工程光谱仪。

此外,“中子反射计”作为中国第一台极化中子反射计,拥有一位聪明的“指挥官”。它独特的偏振器和偏振分析器使中子能够在对准被探测物体之前排成“队列”,并在离开被探测物体之后完成“点名”。然而,2014年7月新加入的“新成员”中的第一个冷中子非弹性散射装置是“顺丰耳”。它有一个冷中子三轴分光计,可以用来测量凝聚态物质元素的激发,能量分辨率为0.2兆电子伏,可以用来研究低能声子色散、磁激发和自旋波。中国第一台投入使用的中子小角散射光谱仪是一台“超级显微镜”,可以探测1至600纳米的微观结构。它是测量材料亚微观结构的重要手段,可在材料结构性能和辐射损伤机理研究中发挥重要作用。中国第一台热中子和冷中子三维成像装置是“透视之王”,它可以穿透不能被x光和其他射线穿透的重金属材料,并“看到”材料内部的三维结构。中子深度分析装置可以“计数”材料表面附近的一些原子的数量。

据报道,自2002年以来,中国物理研究院核物理化学研究所中子技术团队通过合作研究和自主创新,先后完成了8台光谱仪的开发建设和1台光谱仪的改造。整体绩效指标达到国际先进水平。2014年7月,随着最后一次冷中子三轴光谱仪谱图测量的完成,中国拥有第一个正式运行的中子散射研究平台。

用“自己的眼睛”探索“微观世界”

”从蛋白质三维结构的测定到飞机螺旋桨叶片裂纹的检测,从材料性质的检测到材料磁性的研究,中子散射科学研究方法在前沿基础科学、国防科学研究和核能开发等诸多方面发挥着重要作用。然而,在过去,中国科学家只能利用外国研究平台以“别人的眼睛”了解我们的研究对象,这不仅有很高的研究成本,而且对航空发动机开发等先进研究构成严重限制。”孙光艾未未表示,根据国外经验,中子散射谱仪安装后还需要6个月到1年的时间才能投入运行。然而,作为中国第一个投入使用的中子散射研究平台,面对国内各界研究的强烈需求,中国材料研究院中子技术团队通过建设、测试和运行三位一体的装置、实验和应用模式,实现了平台建设、技术开发和能力提升的同步发展。

目前,该实验平台已经与北京大学、清华大学、上海交通大学、中国科学院、中国航空工业集团等国内许多高水平科研机构开展了合作应用研究。我国首次开展的一系列中子散射实验研究项目,为提高我国相关前沿领域的科研能力奠定了重要基础。

例如,中国科学院金属研究所制备的一种新材料很难被国际同行认可,因为其微观结构无法精确测量。利用中子散射研究平台的高压衍射光谱仪,科学家测量了该材料相邻原子的原子占据顺序,为该材料的性能提供了强有力的微观解释。其结果已在国际知名学术期刊上发表并得到广泛认可。该团队基于中子应力分析装置和自主开发的原位实验技术(机械-温度耦合加载),实现了金属材料变形过程的原位实时观测。锆合金变形机理的最新研究成果也已发表。该团队还在低温/高温加载环境下测量了多种样品,并对磁性结构交换偏置和磁性相变过程获得了新的理解。该机构的建立

我们还了解到,中国正在建设的国家重大科技基础设施“中国散裂中子源(CSNS)”的相关科研团队已与中国国家物理研究所中子研究团队达成协议,将利用中国国家物理研究所中子源研究平台,共同建设“中子探测与应用联合实验室”,为CSNS的成功建设和运行提供重要支持。

据说中国物理研究所的中子散射研究平台可以满足中国航空、航天和核工业的迫切需求。目前,平台跟踪能力的提高已纳入计划,包括热中子三轴光谱仪、超小角散射光谱仪、中子标准测试束平台等。

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