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中国“超级显微镜”扩容,它可太能干了!

2024年04月01日 16:12:28 来源:“ 人民日报一撇一捺”微信公号

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3月30日,中国散裂中子源迎来又一重要时刻——二期工程启动建设。建成后,装置的研究能力将大幅提升,基本覆盖中子散射所有应用领域,实验精度和效率将显著提高,能够为探索科学前沿、解决国家重大需求和产业发展关键问题提供更加坚实的支撑。

在一期工程运行5年多的基础上,3月30日,位于广东省东莞市松山湖科学城的中国散裂中子源二期工程启动建设。这是世界第四台、我国第一台脉冲型散裂中子源。

散裂中子源被称为“超级显微镜”,是以中子为“探针”,“看穿”材料的微观结构。5年多来,这座依山而建的国家重大科技基础设施,已向中外科学家完成11轮开放,每年运行时间超过5000小时,开放时长和效率都处于国际同类装置的领先水平。目前,注册用户超过6000人,已完成1500多项课题。二期工程启动建设后,将带来哪些新期待?

透视微观世界

探索科学前沿


中国散裂中子源快循环同步加速器。

中国科学院高能物理研究所供图

提到散裂中子源,很多人可能不清楚它是做什么的。其实,锂离子电池、高强合金、芯片元器件等当今生产生活不可或缺的技术、设备,在研发中都可以用到散裂中子源。

用中国科学院院士、中国散裂中子源工程指挥部总指挥陈和生的话说,散裂中子源就像一种“超级显微镜”,通过粒子的高速撞击“散裂”出大量中子,再把中子作为“探针”,研究物质材料的内部微观结构。

中国散裂中子源以提供机时的方式向中外研究机构和科学家开放,一经投入运行,用户便迅速增加,机时供不应求。已完成的1500余项用户实验课题,涵盖能源、物理、材料、工程等多个前沿交叉和高科技研发领域,在航空航天关键部件应力检测、锂离子电池、太阳能电池结构、稀土磁性、新型高温超导、功能薄膜、高强合金、芯片单粒子效应等重点领域取得一批科技创新成果。

从航空关键部件的金属疲劳到高铁车轮的服役安全性和服役寿命,从电动汽车的电池性能到高温超导材料的自旋涨落……5年多来,依托散裂中子源取得的研究成果,既直面国家重大战略需求,又助力大湾区高端制造业发展。

治疗癌症的新手段——硼中子俘获治疗装置,是散裂中子源在医疗领域产生的重大科技成果转化项目,由散裂中子源建设过程中积累的技术转化而来。该装置目前已经在东莞市人民医院部署,即将开展临床研究。

二期工程将建设

11台中子谱仪和实验终端

中国散裂中子源航拍。

中国科学院高能物理研究所供图

正是由于散裂中子源丰硕的成果产出和强烈的用户需求,二期工程得以快速立项并启动建设。据中国科学院高能物理研究所副所长、中国散裂中子源二期工程总指挥王生介绍,二期工程初步设计概算于2024年1月9日获国家发展改革委批复,建设周期为5年9个月。建成后,装置在同等时间内能产生更多中子,不仅能有效缩短实验时间,还能使实验分辨率更高,能够测量更小的样品、捕捉更快的动态过程。

二期工程将建设11台中子谱仪和实验终端,建成后中子谱仪总数将增加到20台,新建的中子谱仪将聚焦磁性超导量子材料、生命科学、催化材料等研究领域,还要新建国内首台缪子实验终端和高能质子实验终端。

所谓“中子谱仪”,可以看作是依托散裂中子源建设、面向不同学科和研究领域的实验平台。二期新建成的中子谱仪和实验终端,将应用于稀土功能材料设计研发、拓扑和超导材料研发、锂离子电池和储氢电池研发、深海可燃冰和页岩油的开采存储、癌症和病毒药物研发、催化研究等,涵盖量子信息、生物医药、航空航天、集成电路、新能源、新材料等领域。“20台中子谱仪,每一台都可以是面向不同领域不同产业的‘显微镜’。”王生说。

此外,打靶束流功率是衡量散裂中子源性能的重要指标。中国散裂中子源二期工程计划将加速器打靶束流功率,从一期的100千瓦设计指标提高到500千瓦。功率提升后,中国散裂中子源中子散射应用的覆盖范围和能力将达到国际先进水平。“届时,中国散裂中子源的研究能力将基本覆盖中子散射所有应用领域。”王生说。

在关键技术预研方面

取得重要进展

“中国散裂中子源运行5年多来,供束时间、供束效率和同期成果产出均达到世界同类装置领先水平。随着中国散裂中子源二期工程启动建设,装置的研究能力将大幅提升,研究领域将进一步拓展,实验精度和效率将显著提高,也必将为推动高质量发展注入新的动力之源。”中国科学院高能物理研究所所长王贻芳表示。

作为粤港澳大湾区首个国家重大科技基础设施,其研发建设本身,离不开雄厚的科研实力和制造能力,这在中国散裂中子源建设中已得到验证。目前,中国散裂中子源二期工程已经在关键技术预研方面取得重要进展,国内首台高功率高梯度磁合金加载腔已正式投入运行,P波段大功率速调管顺利通过验收。此外,中子探测器、中子导管、中子极化器的研制也取得了突破,为二期工程的成功建设奠定了坚实的技术基础。

“二期工程作为升级工程,完成工程建设任务的同时,要保证散裂中子源正常开放运行不受大的影响。”王生表示,在近6年的建设过程中,因工程建设需要的额外停机时间将不超过6个月,并在工程建设中不断提高束流功率,增加开放的谱仪数量,促进更多高质量研究成果产出。

刊于《人民日报》2024.4.1 第11版

人民日报记者 贺林平 姜晓丹

责任编辑:乔妙妙
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