在廣東東莞市松山湖科學(xué)城，緊鄰高速公路，有一片依山而建，造型獨(dú)特的建筑群，山坡上矗立著 “中國(guó)散裂中子源”幾個(gè)大字。《國(guó)之重器 硬核所在》，一起走近這個(gè)被稱為超級(jí)顯微鏡的國(guó)之重器。

　　物質(zhì)由分子和原子組成，原子核又包含了中子和質(zhì)子。中子不帶電、穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，是科學(xué)家探索微觀世界的理想探針。

　　當(dāng)中子與被研究對(duì)象的原子核相互作用而改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，科學(xué)家通過(guò)分析散射中子的軌跡、能量和動(dòng)量的變化，就能反推出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。這就好像我們不斷往一張看不見(jiàn)的網(wǎng)上扔彈珠，有的彈珠穿網(wǎng)而過(guò)，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡，就能大致推測(cè)出網(wǎng)的形狀；如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來(lái)，甚至推斷其材質(zhì)。

　　散裂中子源就是這樣一座生產(chǎn)、發(fā)射彈珠的 “超級(jí)工廠”。它的原理是，先把質(zhì)子加速到一定的能量，再把質(zhì)子束當(dāng)成“炮彈”，去轟擊重金屬靶從而產(chǎn)生大量中子?？茖W(xué)家通過(guò)特殊裝置“操控”中子，用中子做探針觀察微觀世界，成為研究物質(zhì)靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制的“超級(jí)顯微鏡”，這對(duì)解決國(guó)家重大戰(zhàn)略需求和前沿科學(xué)諸多領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題有著重要意義。

　　速調(diào)管研制成功

　　散裂中子源開(kāi)啟加速跑

　　2023年，中國(guó)散裂中子源運(yùn)行超過(guò)5000小時(shí)，在新能源、合金、高分子、信息材料等領(lǐng)域創(chuàng)造出一批源頭創(chuàng)新成果。為了滿足更多更高的用戶需求，中國(guó)散裂中子源二期工程建設(shè)也即將啟動(dòng)，關(guān)鍵設(shè)備的研制目前正在緊張進(jìn)行中。

　　在散裂中子源科學(xué)中心的實(shí)驗(yàn)室里，近日成功研制的關(guān)鍵核心設(shè)備——首臺(tái)全國(guó)產(chǎn)化P波段大功率速調(diào)管，經(jīng)過(guò)連續(xù)24小時(shí)無(wú)故障運(yùn)行，全部性能指標(biāo)均達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)要求，順利通過(guò)驗(yàn)收。至此，中國(guó)散裂中子源二期工程關(guān)鍵加速器核心設(shè)備都擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，整體國(guó)產(chǎn)化率已接近100%。

　　研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員劉華昌表示，速調(diào)管功率源由多個(gè)關(guān)鍵部件和系統(tǒng)組成，用于將電功率轉(zhuǎn)化為高頻微波功率，為粒子束流提供加速動(dòng)力。它是中國(guó)散裂中子源二期工程中，加速器打靶束流功率從100千瓦提升到500千瓦的關(guān)鍵設(shè)備之一。

　　中國(guó)散裂中子源科學(xué)中心加速器技術(shù)部副主任 劉華昌：我們的一期4臺(tái)這樣的設(shè)備，能夠?qū)㈦x子的能量從3兆電子伏特加速到80兆電子伏特，對(duì)應(yīng)的離子速度，大概是不到0.4倍的光速。而我們二期會(huì)增加大概有20臺(tái)這樣的設(shè)備，將離子的速度進(jìn)一步從0.4提高到0.65倍的光速。

　　這就好比汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)，將化學(xué)燃料轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。由于二期工程是在一期的基礎(chǔ)之上升級(jí)而來(lái)，功率五倍的提升完全靠束流的流強(qiáng)提升，需要采用超導(dǎo)腔將直線加速器的能量大幅提升，這對(duì)速調(diào)管的性能和指標(biāo)提出了更高的要求。當(dāng)時(shí)，這種設(shè)備國(guó)內(nèi)尚無(wú)研發(fā)和制造能力，一期工程只能選擇進(jìn)口，沒(méi)想到卻給如期完工，包括后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了一系列的影響。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng) 中國(guó)散裂中子源二期工程總指揮 王生：一期用的4臺(tái)是從美國(guó)進(jìn)口的，最開(kāi)始調(diào)束之前就成為我們的一個(gè)瓶頸，這4臺(tái)速調(diào)管返回美國(guó)重新維修了五次，都發(fā)現(xiàn)大的質(zhì)量問(wèn)題。從那之后，也結(jié)合高能所的研究方向，我們就開(kāi)始國(guó)產(chǎn)化自主技術(shù)的研究。

　　大功率速調(diào)管這種電真空器件，零部件數(shù)以百計(jì)，涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。從研制到安裝，每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須精確無(wú)誤。高通過(guò)率電子光路要求傳輸效率達(dá)到100%，所有零部件的安裝精度要控制在20個(gè)微米之內(nèi)，這個(gè)數(shù)值只有人頭發(fā)絲直徑的1/4。

　　讓劉華昌他們這些研發(fā)人員記憶最深的是，速調(diào)管的真空標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的千億分之一。這對(duì)大尺寸銅腔的焊接材料和技術(shù)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，稍有不慎，就容易頻繁出現(xiàn)打火現(xiàn)象，輕則影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，重則導(dǎo)致整個(gè)功率源設(shè)備的損毀。

　　中國(guó)散裂中子源科學(xué)中心加速器技術(shù)部副主任 劉華昌：我們反復(fù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，幾個(gè)月，經(jīng)歷了幾十次、上百次的實(shí)驗(yàn)，選擇了這種焊料。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所科研團(tuán)隊(duì)和上下游企業(yè)通力合作，一道攻堅(jiān)克難，最終圓滿完成了研發(fā)試制任務(wù)。中國(guó)散裂中子源二期工程的前期準(zhǔn)備工作已全部就位，即將開(kāi)始加速跑。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng) 中國(guó)散裂中子源二期工程總指揮 王生：二期工程會(huì)把散裂中子源最主要的技術(shù)指標(biāo)，就是質(zhì)子束流的功率提升5倍，使它的研究能力大大提升，同時(shí)會(huì)新建9臺(tái)中子譜儀。二期工程全部完成以后，散裂中子源的研究能力已經(jīng)基本覆蓋了所有的中子散射(應(yīng)用領(lǐng)域)。

　　中國(guó)散裂中子源譜儀大廳

　　原始創(chuàng)新新高地

　　中國(guó)散裂中子源由直線加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站以及中子散射譜儀等部分構(gòu)成，其中加速器部分都在13米到18米的地下。地面之上的譜儀大廳，就是科學(xué)家的云集之地。年終歲末，來(lái)自全國(guó)各地的科學(xué)家依然在這里進(jìn)行最前沿的科技攻關(guān)。

　　來(lái)自東北大學(xué)的高建榮團(tuán)隊(duì)與散裂中子源的譜儀科學(xué)家一起，正在為即將開(kāi)始的高溫合金定向凝固原位中子衍射實(shí)驗(yàn)做最后的準(zhǔn)備。

　　東北大學(xué)教授 高建榮：我們這個(gè)(實(shí)驗(yàn))涉及高溫真空環(huán)境，要研究高溫合金，就是做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的那種金屬材料，從液體變成固體的過(guò)程當(dāng)中，它的缺陷是如何形成的。

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”，這顆“皇冠上的明珠”就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的葉片。我國(guó)雖然也能生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，但多年來(lái)質(zhì)量和性能仍有待提高。

　　高建榮表示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片為空心結(jié)構(gòu)，材料特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要想提高國(guó)產(chǎn)飛機(jī)葉片的質(zhì)量和制造效率，首先必須對(duì)材料有充分認(rèn)識(shí)。早在五年前，他就開(kāi)始構(gòu)思利用中子穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)，進(jìn)行高溫合金定向凝固的原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。

　　中國(guó)散裂中子源科學(xué)中心副主任 梁天驕：這種實(shí)驗(yàn)包括相關(guān)的設(shè)備研制應(yīng)該說(shuō)是非常有挑戰(zhàn)性。高溫合金在模殼內(nèi)融化，而且在這個(gè)里面垂直方向上運(yùn)動(dòng)，我們?cè)谡麄€(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中間，我們是不是都能夠獲得可靠的數(shù)據(jù)，這是高老師非常擔(dān)心的事情。

　　東北大學(xué)教授 高建榮：在這么復(fù)雜的條件下，我們能不能真的用中子觀察到這樣的信號(hào)，原理上來(lái)講覺(jué)得行，但是真正能不能看得見(jiàn)，我心里一點(diǎn)譜都沒(méi)有。

　　散裂中子源的譜儀科學(xué)家設(shè)計(jì)了幾個(gè)分解實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證定向凝固設(shè)備的中子衍射實(shí)驗(yàn)可行性，支持高建榮將更多的時(shí)間精力用于設(shè)備的研發(fā)上。半年后，高建榮得到驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)成功的消息。

　　2018年，中國(guó)散裂中子源正式投入運(yùn)行，使我國(guó)成為世界上第4個(gè)擁有脈沖式散裂中子源的國(guó)家。散裂中子源從2018年一期工程完成三條譜儀建設(shè)后，近五年來(lái)又跟高校、科研機(jī)構(gòu)等展開(kāi)合作，先后啟動(dòng)了八條譜儀的建設(shè)。如今的譜儀大廳里，圍繞著靶站，五顏六色的混凝土模塊搭建起各具功能和特色的譜儀。每個(gè)色塊搭建的空間就是一個(gè)實(shí)驗(yàn)站，為我國(guó)在磁性材料、高效催化劑、金屬玻璃、高分子聚合物等諸多領(lǐng)域的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

　　四面出擊

　　中國(guó)散裂中子源結(jié)出累累碩果

　　如果散裂中子源是探索物質(zhì)微觀世界的超級(jí)顯微鏡，那圍繞著靶站的一條條譜儀就是一個(gè)個(gè)不同的鏡頭，滿足不同學(xué)科、不同方向的科研需求。2023年，依托散裂中子源產(chǎn)出了一批又一批的原創(chuàng)成果，也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了源頭動(dòng)能。

　　大氣中子譜儀是散裂中子源今年新運(yùn)行的一臺(tái)譜儀，它可以加速模擬宇宙射線打到大氣層產(chǎn)生的中子輻照環(huán)境。過(guò)去，我們?cè)诖髿鈱觾?nèi)與地面的很多電子元器件的失效，都跟大氣中子的這種輻照有關(guān)系，特別是航空領(lǐng)域，電子設(shè)備失效的問(wèn)題更為關(guān)鍵。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng) 中國(guó)散裂中子源二期工程總指揮 王生：在實(shí)驗(yàn)室正常的情況下去找，可能他們做了十幾萬(wàn)個(gè)小時(shí)都找不到原因。但是在我們這里面，我們可以(用)10的8次方的速率加速它，就是說(shuō)我們以1億倍的速率，我在這做一分鐘，相當(dāng)于我做了1億分鐘，就是很多年的測(cè)量，所以在我們這很快就定位了故障，就可以去加固它。加固之后再用我們的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)定位很準(zhǔn)確，加固的效果也很好。

　　2023年，依托中國(guó)散裂中子源，在新能源汽車領(lǐng)域，通過(guò)原位觀察鋰電池的充放電過(guò)程，首次發(fā)現(xiàn)了電池在充放電過(guò)程碳鋰化合物的一種不均勻現(xiàn)象，顛覆了業(yè)內(nèi)對(duì)此的認(rèn)識(shí)，為鋰電池的性能改進(jìn)和提升開(kāi)拓了新視野。

　　在工程領(lǐng)域，完成了國(guó)產(chǎn)高鐵車輪的原位應(yīng)力測(cè)量，首次給出高鐵車輪完整的應(yīng)力數(shù)據(jù)。為國(guó)產(chǎn)高鐵車輪的安全性評(píng)價(jià)，以及使用壽命的正確判斷，提供了非常重要的數(shù)據(jù)支撐。

　　中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng) 中國(guó)散裂中子源二期工程總指揮 王生：今年其實(shí)一直都很繁忙，我們散裂中子源現(xiàn)在每年開(kāi)放的時(shí)間是世界上最長(zhǎng)的，開(kāi)放5300個(gè)小時(shí)，所以是全年無(wú)休的。到明年我們的中子譜儀會(huì)增加到11臺(tái)全部開(kāi)放，這使我們的研究能力會(huì)有很大的拓展。

　　散裂中子源自投入運(yùn)行以來(lái)，已累計(jì)完成10輪開(kāi)放運(yùn)行，年均開(kāi)放機(jī)時(shí)超過(guò)5000小時(shí)，注冊(cè)用戶已達(dá)5000多個(gè)。2023年全年完成376項(xiàng)用戶實(shí)驗(yàn)，其中有多篇學(xué)術(shù)論文在國(guó)內(nèi)外一線學(xué)術(shù)期刊發(fā)表，遠(yuǎn)超國(guó)外散裂中子源相同階段的成果產(chǎn)出水平。在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等眾多領(lǐng)域產(chǎn)出了一批重大原創(chuàng)成果。

　　此外，二期工程建設(shè)即將正式啟動(dòng)，未來(lái)譜儀數(shù)量將增加到20臺(tái)，加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦，大大提高實(shí)驗(yàn)精度和速度。屆時(shí)，散裂中子源將測(cè)量更小的樣品，研究更快的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為我國(guó)高水平科技自立自強(qiáng)作出更多更大的貢獻(xiàn)。

　　(總臺(tái)央視記者 雷飚 梁治)