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【中國科學報】運行半載,散裂中子源交出成績單

作者: 2019-03-15 15:16 來源:
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  去年夏天,我國首臺散裂中子源正式通過國家驗收并對用戶開放。這一占地400畝、坐落在廣東東莞的大科學裝置,目前已結束首輪運行。

  利用一期建設完成的3臺譜儀,散裂中子源已經完成了來自超導材料、鋰電池、高性能材料等多個領域的用戶課題,不少研究成果相繼在學術期刊上發表。

  除了完成來自用戶的課題,園區一線的科研人員還要負責把這個“大家伙”的狀態調整到最佳,并為中國散裂中子源培養好各個領域的用戶。

  研究新材料 中子顯身手

  散裂中子源建成后,很快就有了第一篇論文成果。

  來自北京大學的研究者與散裂中子源通用粉末衍射儀(GPPD)團隊合作,利用中子在晶體物質中的衍射效應,對一種含有鎳、錳、鈷3種過渡金屬的鋰電池正極材料進行了精確結構分析,確定了其中一種普遍存在的影響充放電性能的結構缺陷。相關成果發表于期刊《納米能源》。

  “我們其實是末端設備”,中科院物理所研究員、通用粉末衍射儀系統負責人何倫華告訴《中國科學報》。帶領組員最先作出成果的她,語氣十分謙虛:“其他團隊這么辛苦地提供高質量的中子,我們一定要用好,這樣才能對得起大家。”

  與已經投入使用多年的美國國家標準與技術研究院BT1中子衍射儀相比,散裂中子源的通用粉末衍射儀性能也毫不遜色,用起來十分“順手”。“用戶反饋我們的設備信噪比很低,誤差很小,因此獲得的數據質量很高。”何倫華表示。

  為何這項實驗一定要通過中子衍射譜儀才能實現?這與中子本身的特點有關。 何倫華告訴記者,“新能源、電池材料等方面的研究,最適合用中子源來做”,因為與X射線相比,中子對物質中的輕元素更敏感。加之中子本身不帶電荷、穿透力極強等優勢,使得中子源成為科學家探尋物質最基本結構的利器。

  除了通用粉末衍射儀,散裂中子源一期建成的譜儀還有小角散射儀和多功能反射儀。2018年首次正式對用戶開放以來,散裂中子源已完成40項用戶課題實驗,涵蓋超導材料、新型儲氫材料等多個領域。

  重用戶體驗 做好“翻譯官”

  目前,散裂中子源的第二輪開放運行已經啟動,計劃在2019年上半年安排20余個用戶開展實驗。建設一臺裝置,源源不斷地產生“聽話”的中子,其實是一件非常困難的事情。除了中國,目前世界上擁有中子源裝置的只有英國、美國和日本。

  而這樣的大科學裝置,如果沒有合適的用戶來使用,自然也不能發揮出真正的價值。

  “好鋼要用在刀刃上。”中科院高能物理所研究員、散裂中子源數據分析系統負責人張俊榮表示。

  起初,在與高校、研究機構交流的過程中,張俊榮與同事發現,許多用戶不知道能用散裂中子源做什么。為大科學裝置培養用戶也成了他們工作的一部分。

  介紹同領域研究者的實驗經驗、了解潛在用戶的研究目標……一系列努力后,向散裂中子源申請實驗機時的用戶漸漸多了起來。

  今年開放第二輪運行申請后,散裂中子源累計收到76個課題項目。“之前一點點弱小的火苗變得旺盛了。”何倫華表示,“跟上一回接到的課題數量比,增速很快,而且大部分是國內用戶。”

  用戶變多了,張俊榮和同事遇到的新問題也多了。

  有一回,一位來自超導材料領域的研究者發現通過中子源獲得的實驗數據與預期不一致,張俊榮等人排查后發現,是實驗材料本身的特殊性質導致數據異常,便根據樣品特性作了專門處理。

  這些“意料之外”,讓散裂中子源與用戶需求磨合得更好。

  談及實驗數據分析,張俊榮笑說:“我們就是做‘翻譯’的。”他表示,研究者想獲取實驗數據,并不是直接將中子束打到樣品上那么簡單。一手數據其實很原始,要轉化成有效數據后有選擇性地提取。

  對一些經驗較缺乏的用戶來說,數據分析系統的工作人員還要幫他們找出提取目標,為研究所用。

  張俊榮告訴《中國科學報》,用戶要想從“小白”變“資深”,訣竅是多多溝通:“懂得提取怎樣的數據,用戶一定要知道散裂中子源的性能指標如何,能不能解決自己的問題。”

  步履不停歇 再啟新征程

  如今散裂中子源能如期投入使用、服務用戶,是眾多留在一線的科研人員日夜值守、加班加點換來的。

  散裂中子源的工作原理是給質子加速,讓其撞擊金屬鎢靶,從而產生中子。但要實現這一目的,需要加速器、靶站、慢化器和譜儀等不同團隊通力合作。只要有一環出了問題,其他團隊的工作就無法進行。

  回想安裝調試的那幾年,確保散裂中子源順利運行的責任壓在了各個團隊身上,科研人員通宵調試、過年加班是家常便飯。

  2014年,加速器隧道基建延期,為保證竣工日期不延后,工程經理部決定讓隧道修繕和通用設備安裝同時進行。

  就在這個當口,直線射頻團隊又發現從美國進口的4根速調管出現故障,需要送返美國廠家維修。沒有速調管,直線加速器就無法得到足夠的微波功率,后續調試工作也無法進行。

  為保證“后墻不倒”,接下來的3年半里,直線射頻團隊幾乎成了園區里的“隱形人”——除了開會、吃飯,其他時間都待在直線設備樓里調設備、排故障。

  團隊負責人、中科院高能物理所研究員李健告訴記者,在高壓設備反復調試的日子里,自己“血壓跟著電壓走”,特別怕聽見微信、手機響。一旦設備發出警報,即便三更半夜也要立刻趕往現場。努力和失敗反反復復,他們最終盼來了成功驗收的一天。

  散裂中子源正式投入使用后,這些科研人員的使命還要繼續。

  未來,隨著二期建設的開展,更多譜儀有望投入使用,中子源的打靶束流功率還要升級……這臺“超級顯微鏡”的用途會越來越廣泛,效率也會越來越高。

  “我們不是建設完就走了。”中科院高能物理研究所東莞分部副主任金大鵬表示,中國散裂中子源的使命是“筑巢引鳳”,未來還將吸引粵港澳大灣區乃至全世界的用戶來合作,提供國際領先的研究平臺。

  《中國科學報》 (2019-03-15 第1版 要聞)

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