2019-10-24 10:39

一半诺贝尔奖都与它有关,粤港澳大湾区也建了一个

出品公众号:“SELF格致论道讲坛”(ID:SELFtalks),作者:陈和生, 中国科学院院士、散裂中子源工程指挥部总指挥。封面:视觉中国


“物理、化学诺贝尔奖大约一半都跟大科学装置有关。或是提出来的新思想在大科学装置上得到了验证,或是大科学装置提供了最先进的研究手段,发现了重大科学突破,或得到新的技术发明。”


中国散裂中子源


这是位于广东东莞大朗的中国散裂中子源,占地面积大概400亩,是一个典型的大科学装置。在它的前面 ,是珠三角环线高速G94的支线——9411,连接虎门和惠州。


我们为什么要建散裂中子源?我们为什么选在广东东莞?我们建设的成果怎样?初步的实验结果怎样?


二十世纪:物理学的世纪


20世纪的物理学经历了三次大的跨越,从原子物理深入到原子核物理,再深入到粒子物理。一百多年前,我们发现了原子是由原子核和电子组成的,后来我们又发现原子核是由质子和中子组成的。从上世纪60年代开始,我们逐步发现组成原子核的质子和中子又是由夸克组成的。


应该说,20世纪物理学的三次跨越,获得了巨大的研究成果,转换成了巨大的生产力。比如现在广泛利用的核电、半导体、激光、计算机、GPS等,它们都离不开过去这一个世纪物理学的进步。


同时,这些技术对社会和政治产生了极为深刻的影响。一方面,核武器始终是非常严峻的国际政治问题。另一方面,我们现在广泛使用的互联网也是在上个世纪物理学物质结构研究当中发明出来的。


物理学的三次跨越不仅为物理学的发展提供了服务,更产生了先进的研究手段,包括同步辐射光源、散裂中子源等大科学装置。


为什么要建大科学装置?


随着对物质结构的研究深入到原子核和粒子层次,我们就需要能量越来越高的粒子来研究越来越小的尺度,这就要利用大科学装置。


中国的大科学装置建设起源于北京正负电子对撞机。这是上世纪80年代中期,邓小平同志的一个重大决策。他说:“我们建设正负电子对撞机,就是为了让中国的高科技在世界上占有一席之地。”应该说,这个战略目标正在逐步实现。


大科学装置有两类,一类是粒子物理和核物理专用的加速器、核聚变装置、大型的天文望远镜如贵州的“天眼”等;还有一类是同步辐射装置、散裂中子源、自由电子激光等等。


大科学装置被称为“重大科学基础设施”“大科学工程”,成为国家科技创新体系的关键单元之一,是国家综合实力的象征。


几十年来,基于大科学装置的研究获得了重大科学突破,大装置的建设、运行和研究都产生了很多重大科学技术革新,有力地推动了高新技术的发展。


根据统计,物理、化学诺贝尔奖大约一半都跟大科学装置有关。或是提出来的新思想在大科学装置上得到了验证,或是大科学装置提供了最先进的研究手段,发现了重大科学突破,或新的技术发明。


散裂中子源是什么?有什么用?


1994年诺贝尔物理学奖


中子散射是探测物质的超级显微镜。加拿大的布罗克豪斯和美国的沙尔首先提出了这个创新的思想。布罗克豪斯提出,中子的散射可以探测原子、分子及其团簇的位置,而沙尔认为不仅可以探测位置,还可以探测它的运动。所以他们在1994年获得了诺贝尔物理学奖。


为什么要用中子散射来研究物质结构呢?现在研究材料结构的手段主要是同步辐射光源和散裂中子源。


同步辐射用于探测原子核外的电子分布,而中子散射可以测量中子与样品的原子核散射后的方向和能量分布,它可以探测物质的磁性、原子核的位置、工程大试样,因为它的穿透性很好,还能探测物质里的动态过程。


与同步辐射光源相比,散裂中子源造价高,技术复杂,而且探测困难,实验难度高,因此世界上只有4台散裂中子源,同步辐射光源约60余台。然而,许多前沿科学的关键问题和国民经济持续发展及国家安全的瓶颈问题,只有用散裂中子源才能解决。



中子从哪里来?一个方式就是反应堆,四川绵阳和北京的原子能研究院都有反应堆,它是通过链式反应产生的,全世界大概有30座。


另一个方式是散裂中子源。用粒子去打重金属的靶,它不使用核燃料,不是核装置,所以它对安全性的要求很低。现在世界上很难找到建反应堆的地方,所以目前中子研究慢慢地都往散裂中子源发展,它的优点很多。



散裂中子源是怎么工作的呢?我们用高能的质子去打靶,产生的中子会打到样品上,然后我们再去探测。



中子的作用体现在哪些方面?第一是它有磁矩,所以它能够研究磁性的结构。计算机的存储是磁性材料,超导也与磁性密切相关,所以它是研究磁性材料非常关键的一个技术。



第二是它能够区分轻元素和同位素。大家可以看到,中子跟各种原子核的反应截面变化非常大,不像同步辐射光是跟它的原子核的电荷平方成正比,所以它对轻的元素不敏感。


比如说溶解酵素蛋白分子,用同步辐射,你看不到是碳、氧、氮,但是用散裂中子源,氢的原子都看到了,所得到的东西要丰富得多。类似的高温超导和其它的各种结构都需要散裂中子源。



再比如,大家非常关心可燃冰,它是一种能够为我们提供洁净持续发展的能源。但是我们需要了解可燃冰的性质,如果不了解它的性质就去开采它,可能会引起一些自然灾难。


所以我们必须模拟可燃冰所处的高压环境,对其进行深度研究。模拟高压环境需要非常厚的容器,必须要用中子才能够穿透。此外,用中子散射研究碳、氢元素的效果也比较好,这使得散裂中子源成为可燃冰内部微观结构研究的必要且不可或缺的手段。


毛河光院士十多年前在美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室做了可燃冰的研究,这对于我们的应用非常重要。



第三个非常重要的是,它可以直接原位研究工程大试样残余应力。什么叫原位?一般的实验装置都是研究很小的样品,但是这并不能解决所有的问题,很多问题需要对工程的大试样进行研究。


举个例子,20年前,德国的高铁发生了严重事故,死了100多人,最后发现事故的原因是它的轮子金属疲劳。怎么才能找到金属疲劳的规律?解决的办法就是,在不同运行情况下测量轮子的性质:刚刚造出来的时候、运行了18400公里和运行60000公里之后,研究清楚了它金属疲劳的情况,由此得到了科学的运行维护规律。


英国散裂中子源:原位测量A380机翼焊接和铆接时温度和应力分布,优化工艺


还有一个很有趣的例子,是英国散裂中子源。空客A380机翼的焊接与铆接。焊接与铆接的工艺非常复杂。比如铆接轻了没有铆上,铆接重了,可能使铆接的地方将来很容易破裂。焊接也是一样。空客公司就把A380机翼的一段放到英国散裂中子源里头,一边铆接,一边焊接,同时测量它的温度和应力的变化,由此得出最佳的工艺。


还有日本的散裂中子源,它做了非常有趣的事。电动汽车的关键在于电池,怎么能够使电池容量大、充电快,更安全?一方面要寻找更好的材料,更重要的是要研究怎样造电池,要看电池宏观性能变化和内部微观材料性能变化的关系。


可以把整个电池放到散裂中子源里,让它充放电几百次,看看性能的变化和里面粒子的输运、电极的性质。日本已经用这个方法做到了每公斤电池容量达到400千瓦/小时。


另外大家很担心电池的安全性,比如在充放电的过程中出现可燃气体,发生爆炸。这种气体只有通过中子才能发现,我们可以通过散裂中子源研究什么情况下会出现气体。


怎么建设中国散裂中子源?



这是中国散裂中子源,由一个直线加速器80MeV(MeV,能量单位,兆电子伏特),快循环同步加速器1.6GeV,一个靶站,三台中子散射谱仪组成。它是由中国科学院和广东省政府共建,法人单位是中国科学院高能物理研究所,总共投资了18.6亿元人民币,2018年3月完工。


散裂反应及中子散射原理


产生的中子打到样品上,然后射到元件上,我们进行探测,这就是散裂与中子散射的原理。


大科学装置从思想提出到建成,周期是非常长的。在1990年代后期,我们就在酝酿散裂中子源的设想。2000年的时候,我们向国家科教领导小组提交的“中国高能物理和先进加速器发展目标”报告,提出建设散裂中子源,一直到去年,经过了18年才建成。


为什么散裂中子源要落户东莞?


2000年,我们有了散裂中子源这个设想,2004年得到了国家科教领导小组的批准。但是,一直在北京找不到合适的地方。2006年2月,我在广州参加省发改委组织的会议,和发改委领导谈到了散裂中子源在寻找建设地点的事情。


时任中国科学院院长路甬祥提出一个思想,他希望把中国科学院在基础研究和应用基础研究的雄厚实力和广东省强劲的经济实力以及对科技创新和产业需求升级的迫切需求结合起来,在珠三角建设中国科学院的“第三高地”。这是一个高瞻远瞩的战略部署,现在成为了支撑粤港澳大湾区科创中心的核心大科学装置。



2006年5月,省发改委组织考察了珠海、萝岗和松山湖。松山湖最合适,东莞支持的力度最大。13年前就能有这样一种远见,应该说是非常难得的。


美国散裂中子源用了14亿美元,日本的散裂中子源用了18亿美元,中国的散裂中子源用了18亿元人民币。这个散裂中子源,有一系列创新的思想,它的主要性能超过了英国的散裂中子源,而且设备的国产化率超过90%。


建设的过程中,我们克服了很多困难。其中有个非常大的困难就是,我们修的直线加速器隧道位于地下19米,在建成后的第一个雨季它就渗水,不是建设单位偷工减料,而是他们错误地参考了上海光源的建设经验。


上海光源的专家说,隧道的混凝土墙1米厚,水泥要少,上海光源每立方米混凝土用了150公斤水泥,我们用了180公斤。但是情况不同的是,我们在19米深的地下,南方的地下水非常丰富,所以第一个雨季就出现了严重的渗水问题。


最后,我们不得不在直线隧道外再加一层隧道来防水,这样就耽误了一年半时间。为了赶回一年半的时间,确保按时竣工,我们采取了并行工作的方式,先在地面安装调试好需要安装到地下的设备,等隧道修好了,再把它们拆了放下去,这样的工作量非常大。



这是靶站谱仪大厅,直线加速器设备楼和快循环同步加速器。



这是200米长的直线隧道和环形加速器240米长的环隧道。



这是靶站的安装核心装置,大家可以看到,这是它一步步安装的情况。


25Hz交流磁铁


我们有非常多的创新,克服了很多挑战。比如说磁铁的电流达到千安培,25赫兹。年纪大一点的同志记得,我们过去用的日光灯的镇流器会就一直响,为什么?是因为50赫兹的交流电。同样的,这里近千安培的电流就会产生非常严重的震动开裂和涡流发热,我们做了很大的努力克服了这个问题。


漂移管直线加速器


还有漂移管直线加速器,有156个漂移管,每一个都不一样,安装的误差要求不超过30微米,是非常精密的。


靶体制造公司“走出国门”


还有一个就是核心的靶,我们有创新的钨钽包复技术工艺,达到国际领先水平。靶体插件的制造商是北京安泰公司。我们成功地研制出了非常关键的靶体。这也使他们成功中标了欧洲散裂中子源的靶体。


谱仪建设


这是第一期拥有的三台谱仪,包括多功能反射谱仪,小角谱仪,通用粉末衍射谱仪。


中国散裂中子源鸟瞰图(2017年8月)


这是2017年8月份的航拍图,无人机拍的,没有做任何修饰。


当我们给国外的杂志投稿,使用的就是这张照片。他们总觉得我们是合成的,实际上没有任何修饰。它的建设就是这么完美。


中国散裂中子源的成果和应用


首次打靶成功,提前获得中子束流


我们在2017年8月份,第一次打靶就顺利成功,按下键就得到了漂亮的中子束流。我在那年7月份,访问英国散裂中子源,在按键之前,英国所长一再提醒我,你得有充分的思想准备,第一次打靶,按下去了,可能什么也没有。


他说他们十多天也搞不清楚这个中子束流跑哪儿去了。但是我们设计合理,设备安装,调试的质量高,所以我们按下键就得到了束流。




上面是要求的验收指标,下面是我们实际达到的指标,大家看到达到的功率是验收指标的2倍多,所有的验收指标都达到了,我们圆满通过了国家验收。


国家验收委员会报告认为,设计科学合理,设备质量精良,达到国际先进水平,通过自主创新和集成创新,在强流质子加速器和中子散射方面取得一系列的重大技术成果,显著提升了我国在这些领域,实现了重大的跨越。



现在,我们成为了世界上继英国散裂中子源、美国散裂中子源、日本散裂中子源之后第四个具有散裂中子源的国家。


中国散裂中子源实现了稳定高效运行。我们的功率已经达到了50千瓦,这是设计值的一半,提供束流的效率超过94%。


在通过验收以后,第二个月就有用户的文章发表。美国散裂中子源前两年什么文章都没有发表,引起很多的批评。我们的成果出的非常快。


现在我们在很多领域都做了实验研究,有50多个单位,包括香港地区和英国各有3家机构来做实验,已发表了8篇文章。



这是研究超导体的结果,超导体的应用超级广泛。



再一个是“超级钢”研究。香港大学黄明欣团队研究出世界上强度最高的钢,它通用粉末衍射仪分析钢的性质,为改进这种钢的断裂、韧性和腐蚀性能提供关键的数据。超级钢应用广泛,例如汽车每减重10%,可节油6%~8%,所以说这是非常重要的领域。



另外就是北航和上海交通大学研究新型的合金,这种合金能用在F-22的起落架上,他们利用散裂中子源对此做了很多的研究。



香港城市大学利用这个做金属玻璃的研究,这种材料兼有玻璃和金属的优点。



未来,仅仅用现有的三台谱仪是不够的。我们正在和珠三角地区的科研单位、大学共建用户谱仪,广东省科技厅也捐赠了两台谱仪。因为很多材料残余应力和金属疲劳问题,唯一能解决问题的方案就是利用散裂中子源。



我们正在向国家发改委申请二期工程,建设更多的谱仪,同时要把它的功率升到500千瓦。它是目前科学院十四五规划中排第一号的项目,甚至有可能在今年底就能启动。


还有一个是建设南方光源的计划。因为粤港澳大湾区的政府迫切希望建立同步辐射光源,散裂中子源和先进的光源组合,是大科学平台的最佳搭配。


建设南方光源的计划


我们在散裂中子源西面预留了600亩土地。这张图是南方先进光源的设想图,它将会对粤港澳大湾区的建设起到巨大的作用。


本文出品自“SELF格致论道讲坛”公众号(SELFtalks),转载请注明公众号出处,未经授权不得转载。                                     

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