走进国内首个中子散射科研平台探索科学的微观世界西畴锥

走进国内首个中子散射科研平台探索科学的“微观世界”

中子散射不但可以告诉我们“原子在哪里”，还可以告诉我们“原子在做什么”。在中国，建设自己的中子散射科研平台，自主开展中子散射实验研究，不仅是老一辈科学家心中的梦想，也是当前中国航空、航天、核工业等重大装备前沿研究领域的迫切需求。

伴随着中国首个中子散射科研平台正式投入运行的喜讯，2014年11月5日，我们走进中国工程物理研究院核物理与化学研究所，探访这个能让中国科学家用“自己的眼睛”洞悉“微观世界”的重大科研装备。

“章鱼”和它的“触角”们

原子核由两种微粒组成，一种是带正电的粒子——质子，一种是不带电的中性粒子——中子，利用中子测定物质微观结构的实验方法被称为中子散射。这就好像将一束光打在半透明的物体上，有的光透过物体，有的光被反射或折射，这样就能够从各个方向上看到物体。中子散射能获取X射线以及其他射线不能获取的物质内部信息。

在核物理与化学研究所中子散射技术与应用研究室展示板上，我们首次看到这个庞然大物的全貌——它好像一条巨大的“章鱼”，其“头部”是2012年6月通过国家验收的中国实验用反应堆“中国绵阳研究堆”，由它提供的冷中子、热中子束流通过中子供束管道的“触角”，进入远近不等的各种中子谱仪探测设备，而科学家们正是通过这些设备完成对各种物质的中子散射和中子成像等实验研究。

随后，在研究室主任孙光爱的带领下，我们走近了这些各显神通的“触角”们。

距“头部”最远的中子小角散射谱仪，不仅供束管道长度超过33米，自身也是一个长13米、直径约2米的“大筒子”，它可通过前后移动筒内的“二维位置灵敏探测器”提供不同分辨率散射图像。

“这是最遥远、最精准的‘千里眼’，在33米内中子光路偏差不能超过0.01毫米，数十个光学组件的协调，从软件到控制，任何一个环节都不允许出现偏差。而这仅是中子散射谱仪安装数十个要求中的两个最基本要求。”孙光爱表示。

在高压、低温、高温等不同条件下，可进行材料晶体结构（包括磁性材料的磁结构）测量和分析的国内首个“高压中子衍射谱仪”，可谓拥有“金刚身”——通过自主研制的“原位中子衍射对顶砧高压装置”，其最大压力大于10GPa，也就是超过大气压的10万倍；自主设计制造的高低温装置，温度控制范围可从-266℃到1000℃，对不同温度下材料结构研究，特别是磁结构研究具有重要作用。

中子应力谱仪则是其中的“大力士”，它可以托举500公斤的样品，描绘出材料内部的三维应力分布图谱，不论它的分辨率、束流强度等综合物理指标，还是灵活性、自控程度等单元指标，都可与国际反应堆源上最先进的谱仪（例如澳大利亚KOWAI和法国SALSA）相媲美，曾被国际著名中子散射装置科学家Shane Kennedy博士评价为“A Nice Instrument”。近期装置科学家又让它集成了两种织构测量功能，测量铝合金标样结果和法国6T1装置完全一致，已成为名副其实的综合性工程谱仪。

此外，“中子反射谱仪”作为国内首个极化中子反射实验装置，则拥有一位聪明的“指挥官”，它独特的极化器、极化分析器，可使中子在射向被探测物体前先排好“队列”，走出探测物体后完成“点名”。而2014年7月刚加入的“新成员”国内首台冷中子非弹性散射装置，则是“顺风耳”，拥有可用于凝聚态物质元激发测量的冷中子三轴谱仪，能量分辨达0.2meV，可用于低能的声子色散、磁激发和自旋波等方面的研究。国内首台投入使用的中子小角散射谱仪则是一台“超级显微镜”，其探测微结构尺寸范围达到1至600纳米，是测量物质亚微观结构的重要手段，可在材料结构—性能研究和辐射损伤机理等方面发挥重要作用。国内首台热中子、冷中子三维成像装置则是其中的“透视王”，它可以穿透X射线及其它射线不能穿透的重金属材料，“看清”材料内部的三维结构。中子深度分析装置则可以“数清”材料近表面的某些原子的数量。

据介绍，从2002年起，中物院核物理与化学研究所中子技术团队通过合作研究与自主创新，相继完成了8台谱仪的研制建设和1台谱仪的改造，总体性能指标达到国际先进水平。2014年7月，随着最后一个冷中子三轴谱仪谱图测量完成，标志着中国有了首个可正式运行的中子散射科研平台。

用“自己的眼睛”探索“微观世界”

“从蛋白质三维结构的测定，到飞机螺旋桨叶片裂痕的探测，从材料性能的检测到物质磁性的研究，中子散射科研手段在前沿基础科学、国防科研和核能开发等诸多方面具有重要作用。但过去，中国科学家只能借助于国外的科研平台，用‘别人的眼睛’认识我们的研究对象，不仅科研成本高，对于航空发动机研制等尖端科研还造成了严重限制。”孙光爱表示，按照国外经验，中子散射谱仪安装完成后，还需要半年到一年的设备状态调试期，方可正式使用。但作为国内首先投入使用的中子散射科研平台，面对国内科研各界的强烈需求，中物院中子技术团队通过装置、实验、应用“三位一体”的模式边建设、边测试、边运行，实现了平台建设、技术发展与能力提升的齐头并进。

目前，该实验平台已与北京大学、清华大学、上海交通大学、中科院、中航工业集团等国内多家高水平科研单位开展合作应用研究，一批在中国首次开展的中子散射实验研究项目，为提升中国相关前沿领域的科研能力奠定重要基础。

如中科院金属所制备的一种新型材料，由于无法准确测定微观结构而难以被国际同行认可，利用中子散射科研平台的高压衍射谱仪，科学家测得了材料的近邻原子占位序，为材料性能提供了有力的微观解释，其成果在国际知名学术刊物上发表，获得广泛认可。团队基于中子应力分析装置和自主研发的原位实验技术（力学—温度耦合加载）实现了金属材料变形过程的原位实时观测，关于锆合金变形机理的最新研究结果也已发表。团队还对低/高温加载环境下多种样品进行测量，对磁结构交换偏置和磁相变过程取得了新的认识。这种多尺度科学认知新手段的建立对工程部件使役行为和寿命评估将发挥重要作用。

此外，科研团队还在中子小角散射谱仪上获得了聚氨酯高分子材料的散射数据；针对晶体/粘结剂界面特征结构需求，获得了醋氨酚/Estane薄膜的中子反射实验曲线；在材料辐照效应认识上，基于中子衍射装置得到了核能结构材料锆合金等在中子辐照前后的晶格参数、微缺陷和晶粒取向演化信息，获得了辐照前后铝合金板焊接三维应力演化数据；针对非线性光学晶体材料光学特性改进和优化加工工艺需求已获得到(D)ADP的精细结构和氘元素分布等中子实验数据；在热中子、冷中子三维成像装置上获得了航空发动机涡轮叶片型芯残留信息，在中子深度分析装置上获得了某部件镁铝材料中氦的深度分布。这些实验研究项目，在中国均为首次开展。

我们还得知，正在中国建设的国家重大科技基础设施“中国散裂中子源(CSNS)”的相关科研团队，已与中物院中子科研团队达成协议，将利用中物院中子源科研平台，合作建设“中子探测与应用联合实验室”，为CSNS成功建设运行提供重要支撑。

据介绍，中物院中子散射科研平台可为中国航空、航天、核工业等领域的国家重大需求解燃眉之急。目前，平台后续能力提升已纳入规划，热中子三轴谱仪、超小角散射谱仪、中子标准测试束平台等。