探索科學的“微觀世界”

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  中子散射不但可不须要告訴我們“原子在哪”,還可不须要告訴我們“原子在做什麼”。在我國,建設当时人的中子散射科研平臺,自主開展中子散射實驗研究,不僅是老一輩科學家心中的夢想,也是當前我國航空、航太、核工業等重大裝備前沿研究領域的迫切需求。

  伴隨著我國首個中子散射科研平臺正式投入運作的喜訊,11月5日,科技日報記者走進中國工程物理研究院核物理與化學研究所,探訪类似于能讓我國科學家用“当时人的眼睛”洞悉“微觀世界”的重大科研裝備。

   “章魚”和它的“觸角”們

  原子核由兩種微粒組成,一種是帶正電的粒子——質子,一種是不帶電的中性粒子——中子,利用中子測定物質微觀結構的實驗辦法 被稱為中子散射。這就好像將一束光打在半透明的物體上,有的光透過物體,有的光被反射或折射,這樣就能夠從各個方向上都看物體。中子散射能獲取X射線以及或者 射線不都还能否 獲取的物質內部資訊。

  在核物理與化學研究所中子散射技術與應用研究室展示板上,記者首次都看类似于龐然大物的全貌——它好像一條巨大的“章魚”,其“頭部”是2012年6月通過國家驗收的我國實驗用反應堆“中國綿陽研究堆”,由它提供的冷中子、熱中子束流通過中子供束管道的“觸角”,進入遠近不等的各種中子譜儀探測設備,而科學家們正是通過這些設備完成對各種物質的中子散射和联 子成像等實驗研究。

  隨後,在研究室主任孫光愛的帶領下,記者走近了這些各顯神通的“觸角”們。

  距“頭部”最遠的中子小角散射譜儀,不僅供束管道長度超過33米,自身也是一個長13米、直徑約2米的“大筒子”,它可通過前後移動筒內的“二維位置靈敏探測器”提供不同解析度散射圖像。

  “這是最遙遠、最精準的‘千里眼’,在33米內中子光路偏差不都还能否 超過0.01毫米,數十個光學組件的協調,從軟體到控制,任何一個環節详细都是允許经常经常出现偏差。而這僅是中子散射譜儀安裝數十個要求中的兩個最基本要求。”孫光愛告訴記者。

  在高壓、低溫、高溫等不同條件下,可進行材料晶體結構(包括磁性材料的磁結構)測量和分析的國內首個“高壓中子衍射譜儀”,可謂擁有“金剛身”——通過自主研製的“原位中子衍射對頂砧高壓裝置”,其最大壓力大於10GPa,也而是 超過大氣壓的10萬倍;自主設計製造的高低溫裝置,溫度控制範圍可從-266℃到100℃,對不同溫度下材料結構研究,特別是磁結構研究具有重要作用。

  中子應力譜儀則是其中的“大力士”,它可不须要托舉100公斤的樣品,描繪出材料內部的三維應力分佈圖譜,不論它的解析度、束流強度等綜合物理指標,還是靈活性、自控程度等單元指標,都可與國際反應堆源上最先進的譜儀(类似于澳大利亞KOWAI和法國SALSA)相媲美,曾被國際著名中子散射裝置科學家Shane Kennedy博士評價為“A Nice Instrument”。近期裝置科學家又讓它整合了兩種織構測量功能,測量鋁合金標樣結果和法國6T1裝置详细一致,已成為名副其實的綜合性工程譜儀。

  此外,“中子反射譜儀”作為國內首個極化中子反射實驗裝置,則擁有一位聰明的“指揮官”,它獨特的極化器、極化分析器,可使中子在射向被探測物體前先排好“隊列”,走出探測物體後完成“點名”。而今年7月剛加入的“新成員”國內首臺冷中子非彈性散射裝置,則是“順風耳”,擁有可用於凝聚態物質元激發測量的冷中子三軸譜儀,能量分辨達0.2meV,可用於低能的聲子色散、磁激發和自旋波等方面的研究。國內首臺投入使用的中子小角散射譜儀則是一台“超級顯微鏡”,其探測微結構尺寸範圍達到1至1000奈米,是測量物質亞微觀結構的重要手段,可在材料結構—性能研究和輻射損傷機理等方面發揮重要作用。國內首臺熱中子、冷中子三維成像裝置則是其中的“透視王”,它可不须要穿透X射線及或者 射線不都还能否 穿透的重金屬材料,“看清”材料內部的三維結構。中子深度1分析裝置則可不须要“數清”材料近表皮层的或者 原子的數量。

  據介紹,從1002年起,中物院核物理與化學研究所中子技術團隊通過商务合作研究與自主創新,相繼完成了8台譜儀的研製建設和1台譜儀的改造,總體性能指標達到國際先進水準。今年7月,隨著最後一個冷中子三軸譜儀譜圖測量完成,標誌著我國有了首個可正式運作的中子散射科研平臺。

   用“当时人的眼睛”探索“微觀世界”

  “從蛋白質三維結構的測定,到飛機螺旋槳葉片裂痕的探測,從材料性能的檢測到物質磁性的研究,中子散射科研手段在前沿基礎科學、國防科研和核能開發等諸多方面具有重要作用。但過去,我國科學家不都还能否 借助於國外的科研平臺,用‘別人的眼睛’認識我們的研究對象,不僅科研成本高,對於航空發動機研製等尖端科研還造成了嚴重限制。”孫光愛告訴記者,按照國外經驗,中子散射譜儀安裝完成後,還须要三天到一年的設備狀態調試期,方可正式使用。但作為國內首先投入使用的中子散射科研平臺,面對國內科研各界的強烈需求,中物院中子技術團隊通過裝置、實驗、應用“三位一體”的模式邊建設、邊測試、邊運作,實現了平臺建設、技術發展與能力提升的齊頭並進。

  目前,該實驗平臺已與北京大學、清華大學、上海交通大學、中科院、中航工業集團等國內多家高水準科研單位開展商务合作應用研究,一批在我國首次開展的中子散射實驗研究項目,為提升我國相關前沿領域的科研能力奠定重要基礎。

  如中科院金屬所製備的一種新型材料,由於無法準確測定微觀結構而難以被國際同行認可,利用中子散射科研平臺的高壓衍射譜儀,科學家測得了材料的近鄰原子佔位序,為材料性能提供了有力的微觀解釋,其成果在國際知名學術刊物上發表,獲得廣泛認可。團隊基於中子應力分析裝置和自主研發的原位實驗技術(力學—溫度耦合載入)實現了金屬材料變形過程的原位實時觀測,關於鋯合金變形機理的最新研究結果也已發表。團隊還對低/高溫載入環境下多種樣品進行測量,對磁結構交換偏置和磁相變過程取得了新的認識。這種多尺度科學認知新手段的建立對工程部件使役行為和壽命評估將發揮重要作用。

  此外,科研團隊還在中子小角散射譜儀上獲得了聚氨酯高分子材料的散射數據;針對晶體/粘結劑界面特徵結構需求,獲得了醋氨酚/Estane薄膜的中子反射實驗曲線;在材料輻照效應認識上,基於中子衍射裝置得到了核能結構材料鋯合金等在中子輻照前後的晶格參數、微匮乏和晶粒取向演化資訊,獲得了輻照前後鋁合金板焊接三維應力演化數據;針對非線性光學晶體材料光學底部形态改進和優化加工工藝需求已獲得到(D)ADP的精細結構和氘元素分佈等中子實驗數據;在熱中子、冷中子三維成像裝置上獲得了航空發動機渦輪葉片型芯殘留資訊,在中子深度1分析裝置上獲得了某部件鎂鋁材料中氦的深度1分佈。這些實驗研究項目,在我國均為首次開展。

  記者還得知,正在我國建設的國家重大科技基礎設施“中國散裂中子源(CSNS)”的相關科研團隊,已與中物院中子科研團隊達成協定,將利用中物院中子源科研平臺,商务合作建設“中子探測與應用聯合實驗室”,為CSNS成功建設運作提供重要支撐。

  據介紹,中物院中子散射科研平臺可為我國航空、航太、核工業等領域的國家重大需求解燃眉之急。目前,平臺後續能力提升已納入規劃,熱中子三軸譜儀、超小角散射譜儀、中子標準測試束平臺等建設即將進入工程實施,未來將有力推動我國先進材料科學的研究與發展。