中子散射不但可以告訴我們“原子在哪里”，還可以告訴我們“原子在做什么”。在我國，建設(shè)自己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(xué)家心中的夢想，也是當(dāng)前我國航空、航天、核工業(yè)等重大裝備前沿研究領(lǐng)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行的喜訊，11月5日，科技日報記者走進(jìn)中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，探訪這個能讓我國科學(xué)家用“自己的眼睛”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(zhì)子，一種是不帶電的中性粒子——中子，利用中子測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實驗方法被稱為中子散射。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看到物體。中子散射能獲取X射線以及其他射線不能獲取的物質(zhì)內(nèi)部信息。

    在核物理與化學(xué)研究所中子散射技術(shù)與應(yīng)用研究室展示板上，記者首次看到這個龐然大物的全貌——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(yīng)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(jìn)入遠(yuǎn)近不等的各種中子譜儀探測設(shè)備，而科學(xué)家們正是通過這些設(shè)備完成對各種物質(zhì)的中子散射和中子成像等實驗研究。

    隨后，在研究室主任孫光愛的帶領(lǐng)下，記者走近了這些各顯神通的“觸角”們。

    距“頭部”最遠(yuǎn)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”，它可通過前后移動筒內(nèi)的“二維位置靈敏探測器”提供不同分辨率散射圖像。

   “這是最遙遠(yuǎn)、最精準(zhǔn)的‘千里眼’，在33米內(nèi)中子光路偏差不能超過0.01毫米，數(shù)十個光學(xué)組件的協(xié)調(diào)，從軟件到控制，任何一個環(huán)節(jié)都不允許出現(xiàn)偏差。而這僅是中子散射譜儀安裝數(shù)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(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)（包括磁性材料的磁結(jié)構(gòu)）測量和分析的國內(nèi)首個“高壓中子衍射譜儀”，可謂擁有“金剛身”——通過自主研制的“原位中子衍射對頂砧高壓裝置”，其最大壓力大于10GPa，也就是超過大氣壓的10萬倍；自主設(shè)計制造的高低溫裝置，溫度控制范圍可從-266℃到1000℃，對不同溫度下材料結(jié)構(gòu)研究，特別是磁結(jié)構(gòu)研究具有重要作用。

    中子應(yīng)力譜儀則是其中的“大力士”，它可以托舉500公斤的樣品，描繪出材料內(nèi)部的三維應(yīng)力分布圖譜，不論它的分辨率、束流強(qiáng)度等綜合物理指標(biāo)，還是靈活性、自控程度等單元指標(biāo)，都可與國際反應(yīng)堆源上最先進(jìn)的譜儀（例如澳大利亞KOWAI和法國SALSA）相媲美，曾被國際著名中子散射裝置科學(xué)家Shane Kennedy博士評價為“A Nice Instrument”。近期裝置科學(xué)家又讓它集成了兩種織構(gòu)測量功能，測量鋁合金標(biāo)樣結(jié)果和法國6T1裝置完全一致，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(nèi)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”，走出探測物體后完成“點名”。而今年7月剛加入的“新成員”國內(nèi)首臺冷中子非彈性散射裝置，則是“順風(fēng)耳”，擁有可用于凝聚態(tài)物質(zhì)元激發(fā)測量的冷中子三軸譜儀，能量分辨達(dá)0.2meV，可用于低能的聲子色散、磁激發(fā)和自旋波等方面的研究。國內(nèi)首臺投入使用的中子小角散射譜儀則是一臺“超級顯微鏡”，其探測微結(jié)構(gòu)尺寸范圍達(dá)到1至600納米，是測量物質(zhì)亞微觀結(jié)構(gòu)的重要手段，可在材料結(jié)構(gòu)—性能研究和輻射損傷機(jī)理等方面發(fā)揮重要作用。國內(nèi)首臺熱中子、冷中子三維成像裝置則是其中的“透視王”，它可以穿透X射線及其它射線不能穿透的重金屬材料，“看清”材料內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)。中子深度分析裝置則可以“數(shù)清”材料近表面的某些原子的數(shù)量。

    據(jù)介紹，從2002年起，中物院核物理與化學(xué)研究所中子技術(shù)團(tuán)隊通過合作研究與自主創(chuàng)新，相繼完成了8臺譜儀的研制建設(shè)和1臺譜儀的改造，總體性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。今年7月，隨著最后一個冷中子三軸譜儀譜圖測量完成，標(biāo)志著我國有了首個可正式運行的中子散射科研平臺。

    用“自己的眼睛”探索“微觀世界”

    “從蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的測定，到飛機(jī)螺旋槳葉片裂痕的探測，從材料性能的檢測到物質(zhì)磁性的研究，中子散射科研手段在前沿基礎(chǔ)科學(xué)、國防科研和核能開發(fā)等諸多方面具有重要作用。但過去，我國科學(xué)家只能借助于國外的科研平臺，用‘別人的眼睛’認(rèn)識我們的研究對象，不僅科研成本高，對于航空發(fā)動機(jī)研制等尖端科研還造成了嚴(yán)重限制?！睂O光愛告訴記者，按照國外經(jīng)驗，中子散射譜儀安裝完成后，還需要半年到一年的設(shè)備狀態(tài)調(diào)試期，方可正式使用。但作為國內(nèi)首先投入使用的中子散射科研平臺，面對國內(nèi)科研各界的強(qiáng)烈需求，中物院中子技術(shù)團(tuán)隊通過裝置、實驗、應(yīng)用“三位一體”的模式邊建設(shè)、邊測試、邊運行，實現(xiàn)了平臺建設(shè)、技術(shù)發(fā)展與能力提升的齊頭并進(jìn)。

    目前，該實驗平臺已與北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院、中航工業(yè)集團(tuán)等國內(nèi)多家高水平科研單位開展合作應(yīng)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(guān)前沿領(lǐng)域的科研能力奠定重要基礎(chǔ)。

    如中科院金屬所制備的一種新型材料，由于無法準(zhǔn)確測定微觀結(jié)構(gòu)而難以被國際同行認(rèn)可，利用中子散射科研平臺的高壓衍射譜儀，科學(xué)家測得了材料的近鄰原子占位序，為材料性能提供了有力的微觀解釋，其成果在國際知名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表，獲得廣泛認(rèn)可。團(tuán)隊基于中子應(yīng)力分析裝置和自主研發(fā)的原位實驗技術(shù)（力學(xué)—溫度耦合加載）實現(xiàn)了金屬材料變形過程的原位實時觀測，關(guān)于鋯合金變形機(jī)理的最新研究結(jié)果也已發(fā)表。團(tuán)隊還對低/高溫加載環(huán)境下多種樣品進(jìn)行測量，對磁結(jié)構(gòu)交換偏置和磁相變過程取得了新的認(rèn)識。這種多尺度科學(xué)認(rèn)知新手段的建立對工程部件使役行為和壽命評估將發(fā)揮重要作用。

    此外，科研團(tuán)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(shù)據(jù)；針對晶體/粘結(jié)劑界面特征結(jié)構(gòu)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(yīng)認(rèn)識上，基于中子衍射裝置得到了核能結(jié)構(gòu)材料鋯合金等在中子輻照前后的晶格參數(shù)、微缺陷和晶粒取向演化信息，獲得了輻照前后鋁合金板焊接三維應(yīng)力演化數(shù)據(jù)；針對非線性光學(xué)晶體材料光學(xué)特性改進(jìn)和優(yōu)化加工工藝需求已獲得到(D)ADP的精細(xì)結(jié)構(gòu)和氘元素分布等中子實驗數(shù)據(jù)；在熱中子、冷中子三維成像裝置上獲得了航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片型芯殘留信息，在中子深度分析裝置上獲得了某部件鎂鋁材料中氦的深度分布。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(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“中國散裂中子源(CSNS)”的相關(guān)科研團(tuán)隊，已與中物院中子科研團(tuán)隊達(dá)成協(xié)議，將利用中物院中子源科研平臺，合作建設(shè)“中子探測與應(yīng)用聯(lián)合實驗室”，為CSNS成功建設(shè)運行提供重要支撐。

    據(jù)介紹，中物院中子散射科研平臺可為我國航空、航天、核工業(yè)等領(lǐng)域的國家重大需求解燃眉之急。目前，平臺后續(xù)能力提升已納入規(guī)劃，熱中子三軸譜儀、超小角散射譜儀、中子標(biāo)準(zhǔn)測試束平臺等建設(shè)即將進(jìn)入工程實施，未來將有力推動我國先進(jìn)材料科學(xué)的研究與發(fā)展。