“超级显微镜”如何工作?探秘大科学装置中国散裂中子源

新京报

2022-08-30 13:56新京报社官方帐号
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广东东莞一片郁郁葱葱的荔枝林里,坐落着一座“中子工厂”。

这是我国迄今为止已建成单项投资规模最大的大科学工程——中国散裂中子源(CSNS),它由国家发改委支持建设,其建成使得我国成为继英国、美国、日本之后,世界上第四个拥有散裂中子源的国家。

X射线能“拍摄”人体的医学影像,而在材料学、化学、生命科学等领域,科学家们更希望有一种高亮度的“中子源”,能像X射线一样“拍摄”到材料的微观结构。散裂中子源就是利用中子来探知微观世界的工具。

中子散射为何是探索物质微观结构的“理想探针”?“中子工厂”是如何源源不断“生产”中子的?这些中子有哪些应用场景?带着这些问题,新京报记者近日走进了正在进行暑期停机检修的中国散裂中子源。

研究微观世界的“理想探针”

1998年,德国发生了一起高铁事故,列车途经埃舍德镇时脱轨,导致101人死亡。此后,科学家陷入了对事故原因分析的争议当中。他们最终通过中子装置发现,是车轮老化导致了这场惨烈的事故。

这意味着,如果利用中子提前探知铁轨、涡轮、机翼等器件的残余应力和金属疲劳,或将避免类似灾难再次发生。

中子由物理学家查德威克于1932年发现,它们和质子一起组成了原子核。中子以其不带电、穿透性强、具有非破坏性等特质,成为研究物质结构的“理想探针”之一。

“中子无处不在,我们的身体几乎一半都由中子组成。”中国科学院高能物理研究所副所长、东莞研究部主任陈延伟说,由于中子不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,可以更为轻松地穿透物质。

中子束打到被研究的物品上,大多数会穿过物品,但有些中子会与它们的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变。这就好比向一张网不停地扔玻璃弹珠,有的会穿网而过,有的打到网上向四面八方弹开。中子就像玻璃弹珠,而被研究的物品则像这张网,通过研究玻璃弹珠的轨迹及其能量和动量的变化,就能反推出网的结构。

和X射线一样,中子具有穿透性,但X射线的穿透深度有限,无法穿透大多数金属。中子则不存在这一限制,它甚至可以穿透很厚的密封铅管,“看见”里面的东西。

尽管空气中存在自由中子,但强度很弱。“研究物质微观结构,所需要的中子量很多、很强。”陈延伟说,此前,科学家利用反应堆产生中子,但这种方法连续产生的中子强度受热量移除限制接近极限。为此,科学家设计了新的产生中子的装置——散裂中子源。

其工作原理是,加速器首先将质子加速到接近光速,使质子束像子弹一样轰击重金属靶,金属靶的原子核被撞击出质子和中子,科学家通过特殊的装置“收集”中子,开展各种实验。

脉冲散裂中子源技术复杂、造价高、实验难度大。此前,世界上只有三个国家拥有这样的装置,分别位于英国卢瑟福实验室、美国橡树岭国家实验室以及日本原子能机构在茨城县东海的实验室。

荔枝林中长出“国之重器”

中国科学院院士、中国散裂中子源工程总指挥陈和生描述过这样一段经历:他曾为探究锂电池性能到访日本散裂中子源实验站,但对方拒绝其参观,“因为你们是竞争对手”。他当时就暗下决心,“回国后我们自己做!”

上世纪九十年代末期,中国科学院高能物理研究所和中国原子能研究院的老科学家指出了建设散裂中子源对国家科技发展的必要性。此后,散裂中子源被列入国家“十一五”的大科学装置建设计划。2006年,散裂中子源选址广东,这也是我国的大科学装置首次落户珠三角地区。

中国科学院高能物理研究所副所长、东莞研究部主任陈延伟在中国散裂中子源沙盘前讲解。新京报记者 张璐 摄

2012年至2017年的6年间,在东莞的松山湖科学城群山之中,“国之重器”中国散裂中子源从一片荔枝林中“长了”出来。选址于此有一个重要原因,这里的地质条件非常好,能承受住近万吨重的靶站、谱仪压在上面,每年沉降量小于0.2毫米。

2017年秋天,中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流。一年后,中国散裂中子源通过国家验收,正式运行并向国内外科学家、工程技术人员、工业企业开放,根据他们实验和项目的科学价值分配使用时间。

“以往中国没有散裂中子源时,我国科学家要到国外排队申请做实验,但对方给我们的使用时间未必能满足需求。最重要的一点是,我国很多核心关键设备不能出国进行实验,比如重要设备的部件、高铁的轮轴等。”陈延伟说。

中国散裂中子源甫一开放,就感受到了用户旺盛的需求。开放4年来,全球已注册用户3800多人,已完成了800多个科学课题,包括深海潜水器焊接模拟件等大型工程部件残余应力和服役性能检测等,为我国急需的高性能结构材料攻关提供了关键技术平台。近一个运行年度,用户申请课题翻番,目前,装置只能满足其中29%的需求。

近日,趁着中国散裂中子源进行暑期“保养”,记者看到了这个深藏于地下17米的“热门”大科学装置,实地了解“超级显微镜”是如何工作的。

加速器技术进步催生治癌利器

中国散裂中子源由一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站、多台中子谱仪及相应配套设施组成。

在装置的起点,直线加速器长达200米的隧道一眼望不到尽头,这里排列着各种颜色、连接各种管线的复杂设备。科研人员首先使用氢气产生负氢离子,即多了一个电子的氢原子,并将它们在直线加速器里加速。

中国科学院高能物理研究所东莞研究部副主任王生在直线加速器隧道中介绍相关设备。新京报记者 张璐 摄

这个过程听起来抽象,但在其中关键技术研发过程中,衍生出了非常具体实际的应用。

硼中子俘获治癌研究已有70年的历史,过去使用核反应堆产生的中子进行治疗,但核反应堆难以进入医院中。最近10年,随着加速器技术的发展,科研人员可以做出小巧、易于维护运行的加速器放置在医院中。

“硼中子俘获治疗BNCT装置是利用中国散裂中子源相关技术催生的首个产业化项目,其实验装置已于2020年8月建成,第一台临床装置正在医院安装,将可治疗癌症。”据中国科学院高能物理研究所所务委员、东莞研究部副主任王生介绍,治疗时先给病人注射一种含硼的药物,这种药物与癌细胞有很强的亲和力,会迅速聚集于癌细胞内,相当于给癌细胞做“标记”。随后用加速器产生的高流强质子打靶产生高通量中子对病灶部位进行照射,当照射的中子被癌细胞内的硼俘获,产生高杀伤力的α粒子和锂离子,便可精准“杀死”皮下8厘米以内的癌细胞。

α粒子和锂离子射程很短,刚好约一个细胞的长度,可“杀死”癌细胞而尽量不损伤周围细胞组织。

BNCT实验装置已经进行了细胞实验和动物实验,目前,研究团队正在与东莞市人民医院共同推进临床试验相关工作。

BNCT装置加速器。中国科学院高能物理研究所供图

全年工作超5200小时的“中子工厂”

当直线加速器中的负氢离子能量达到8千万电子伏特时,它们将进入下一环节,“飞奔”进入圆环形的快循环同步加速器中,穿过碳膜将两个电子剥离掉转变为质子,用0.02秒在228米长的“跑道”内狂奔两万圈,把能量提高19倍,达到16亿电子伏特,速度也达到0.92倍光速。

加速器和靶站实验大厅示意图。中国科学院高能物理研究所供图

一秒钟之内,有25波负氢离子陆续进入快循环加速器加速。

据王生介绍,散裂中子源装置极为庞大,设备部件繁多,工艺极其复杂,制造和安装过程克服了重重困难。其中,快循环同步加速器的研制遇到了挑战,比如25赫兹交流磁铁及励磁谐振电源在我国属首次研制,难度超乎想象。磁铁的作用是对质子束流进行控制和约束。25赫兹交流磁铁就是要使磁场从最高到最低再到最高,每秒反复25次,这种电流快速变化会导致铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热等,都是大家经验之外的新问题。“关键技术掌握在国外一两家大公司手中,我们不可能通过科技交流得到技术信息。”科研人员与中国科学院高能物理研究所工厂工程技术人员联合攻关,经过6年时间,逐一攻破技术难关,终于靠自己的力量研制出合格的磁铁,关键技术指标超过国外同类设备。

中国散裂中子源快循环同步加速器局部。新京报记者 张璐 摄

接近光速的质子束像子弹一样冲向重金属靶,就像机关枪一样,每天要打上200万发“子弹”。金属原子核在高能质子的轰击下发生散裂反应,释放出质子和中子。科学家便通过特殊的装置“收集”中子做实验。

为了尽可能多地满足用户需求,装置24小时运转产生中子束,除了每周一天的检修和暑期两个多月的检修,装置只有春节时才可以放上“7天假”。“去年装置运行的时间超过了5200小时,这是国际上最好的,其他散裂中子源装置一般只有四千小时左右。”王生说,装置的实际运行效率达到97%,这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,意味着设备故障率越低、稳定性越好。

“超级显微镜”揭秘微观结构

从地下17米的加速器隧道中走出,记者来到了靶站谱仪大厅。在这里,质子束轰击重金属靶后,瞬间产生的中子束流脉冲又短又强,中子经过慢化后,再引入一台台谱仪中。

蓝色、橙色、绿色、紫色……多台谱仪以靶站为中心,像太阳花的各色花瓣一样向外伸展。中子被引入谱仪后,和其中样品材料的原子核相互作用,产生散射。通过测量散射的中子,可以研究样品的微观结构和动力学。

靶站谱仪大厅,每台功能不同的谱仪颜色各异。中国科学院高能物理研究所供图

中国散裂中子源一期共建了3台谱仪,未来还将有多台谱仪陆续建成投用。谱仪有哪些典型应用?中国科学院高能物理研究所东莞研究部副主任梁天骄一一道来。

绿色外观的通用粉末衍射仪,主要用于研究物体的晶体结构和磁结构,现在也在开展小部件的残余应力测试。由于中子的穿透力很强,即将开始调试的工程材料谱仪还可以在不破坏样品的情况下,研究高铁车轮、航空航天发动机叶片等大型部件的残余应力和金属疲劳,适应国家重大需求。

残余应力是指在加工、服役等过程中,保留在材料、部件内的应力,它可能导致工程部件的变形乃至失效。“举例来说,万米潜水器的壳体是钛合金焊接的,相关单位将不同焊接工艺制成的焊接模拟件拿到谱仪中来测试,从而了解不同焊接工艺的残余应力参数,为壳体寿命预测、焊接工艺选择提供关键数据支撑。”

通用粉末衍射仪。实验时,屏蔽门将封闭,实验人员在控制室中读取数据。新京报记者 张璐 摄

散裂中子源不仅能够满足航空航天、深海探测等重大科研项目对尖端设备的需求,也能服务于百姓日常生活,在医疗健康等领域大放光彩。

小角中子散射仪和微小角中子散射仪,探测的是物质内部纳米尺度的微观结构。“它也可以研究如何调整冰淇淋的成分配方使其更加可口。”梁天骄用一个例子,拉近了两台深奥设备和大家的距离。它们可以应用于生命科学、食品科学等领域,目前,小角中子散射仪已经开展了高分子材料、页岩、癌症治疗新型药物等研究,对药物研发提供微观机理支撑。

中子对碳、氢、氧、氮等能源和生命科学领域极为重要的轻元素很敏感。比如分布于深海或陆域永久冻土中的“可燃冰”,是甲烷与水在高压低温条件下形成的结晶物质,科学家必须将它们放在很厚的金属容器内,模拟千米水深下的压力和低温条件,研究其微观结构的变化。凭借中子超强的穿透能力,可以通过厚厚的容器研究可燃冰性质。

“通过高压粉末衍射仪,我们可以研究可燃冰在不同状态下微观结构的变化及影响。”

谱仪还能助力文物研究。梁天骄说,能量分辨中子成像谱仪建成后,可以为很多宝贵的文物做无损中子“CT”,了解它的三维结构。

“升级”计划提上日程

目前,中国散裂中子源已经“超额”完成设计指标。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。目前束流功率达到了125千瓦,更高束流功率的“升级”计划已经提上日程。

王生说,一期工程设计已经预留了升级改造空间。下一步,中国散裂中子源的打靶束流功率将从目前的125千瓦增加到500千瓦,这意味着,装置在同等时间里产生更多中子,不仅能有效缩短实验时间、使实验分辨率更高,也可以对更小的样品开展中子散射实验。

“新的谱仪和实验终端建成后,将满足更多用户对更小样品、更高精度的测量要求。”梁天骄说,届时,装置将为开展结构表征、动力学测量、原位研究和高空间分辨检测等多学科交叉研究提供更有力的支撑。

“国之重器”将“上新”

作为建有北京正负电子对撞机、中国散裂中子源、高海拔宇宙线观测站、江门中微子实验、高能同步辐射光源等众多大科学装置的“大户”,未来,中国科学院高能物理研究所在“国之重器”规划上还有哪些布局?

“一是基于加速器的高能物理研究。”中科院院士、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳表示,北京正负电子对撞机几年后将完成科学使命,环形正负电子对撞机(CEPC)是正在规划中的下一代高能粒子加速器项目,科学家希望借此研究希格斯粒子及相关的科学问题,寻找超出“标准模型”的新物理。

二是在空间方面,中国科学院高能物理研究所规划了两个项目,一个是未来的X射线天文台——增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP),在中国首颗空间X射线卫星“慧眼”的基础上,它将测量X射线能量,引领国际黑洞和中子星等极端天体物理研究,成为国际领先的X射线天文装置。

另外一个是中国空间站高能宇宙辐射探测设施(HERD),在中国空间站上建设一个宇宙射线探测器和一个伽马射线探测器,接续正在国际空间站上进行的AMS实验,提高对宇宙线测量的接受度和能量范围,来寻找暗物质并测量宇宙线的能谱和成分。“它也是对地面高海拔宇宙线观测站拉索(LHAASO)测量宇宙线能量的标定。二者将结合起来,一起研究宇宙射线的起源和加速机制。”

王贻芳说,在中微子方面,江门中微子实验将于明年建成,未来还将进行升级。“我们也在讨论要建立一个中微子水下或冰下的装置,通过伽马射线、带电粒子和中微子三者的结合,彻底理解宇宙线的起源和加速机制。”

新京报记者 张璐

编辑 樊一婧 校对 刘军

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