中子散射研究：微观世界不复神秘之态

文/胡月

自1932年中子被发现以来,能产生高通量中子的中子源一直是科学家不断努力追求的目标。中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点,因此中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段,在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用。

1998年,美国在橡树岭国家实验室开始建造散裂中子源。彼时的中国国力尚还落后,建起自己的散裂中子源似乎望尘莫及。意想不到的是,仅仅两年后,这件事就被提上了议程。2018年,中国散裂中子源完成验收并正式投入运行,我国自此成为全世界第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。在众多材料科学领域的科研人员的努力下,它的建成填补了我国脉冲中子源领域的空白,对满足国家重大战略需求、解决前沿科学问题、解决瓶颈问题具有重要意义。

材料科学和技术研究的利器

1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,伤亡惨重。经过调查发现,事故的元凶竟然是老化的车轮。但车轮内部我们看不见,也摸不着,何以判断?具有强穿透力的中子可以解决这一难题。中子大科学装置也被科技界称为“探究微观世界的‘火眼金睛’、科研利器和超级显微镜”。正如X射线技术通过拍摄人体内部影像来帮助诊断病情一样,中子以其自身的特点在结构、成像等分析中发挥着独特的作用。中子为电中性,具有强穿透力和非破坏性,从而可以探测物质的内力场信息(如残余应力),也利于在复杂和集成的特殊样品环境下进行实验研究;中子与原子核的作用并不随原子序数的增加而有规律地增大,从而可以通过中子散射或成像技术更好地分辨轻元素,或者相邻的元素;中子具有内禀的自旋使之可以准确地揭示其他手段难以给出的微观磁结构信息。现已建立的有关低能热中子的理论,为开展多学科理论预测、实验验证并完善理论提供了有效的途径。

产生中子有两种方式:一种是看起来威力很大的“核反应堆”,利用铀235通过核裂变反应产生中子。为了更安全有效地生产中子,科学家设计散裂中子源。其原理是把质子加速到一定的能量,当成“子弹”,把中子从原子系数很高的重金属靶中轰击出来。 ﻪ科学家通过特殊的装置将中子引导到需要研究样品处,开展各种实验。散裂中子源的好处在于,加速质子使用的是高压电场,只要切断电源,质子就会立即停止轰击金属靶,不会有放射性污染且可控,因此是最安全的产生中子的方式。

中子散射技术不仅可探索物质静态的微观结构,还可用于研究结构变化过程的动力学机制。因此,中子散射已在物理、化学、材料、工程等研究领域发挥着同步辐射X射线等方法无法取代的作用,成为物质科学研究和新材料研发的重要手段。

“科学有时会因其所需要和使用的科学装置的大小,被分为大科学和小科学。但科学问题却不论大小,都同样重要。中子散射是利用大科学装置来解决‘小科学’问题。”提及研究中子的意义,松山湖材料实验室首席科学家、中国科学院物理研究所杰出研究员赵金奎如是说道。中子散射是一种能揭示材料内部“是什么样的,又是如何工作的”这两个终极问题的有力手段,它也因此成为材料领域的诸多科学家致力攻克的难题。

因地制宜,服务中国科技发展需求

2018年,中国散裂中子源完成验收并正式投入运行。同年,毗邻散裂源的松山湖材料实验室开始成立。赵金奎作为中子散射和中子散射材料研究方面的专家,加入了实验室的建设。 ﻪ实验室立足于建设成为有国际影响力的新材料研发南方基地、国家物质科学研究的重要组成部分、粤港澳交叉开放的新窗口。为此,实验室布局了公共技术平台和大科学装置、前沿科学研究、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块。

科学家通过中子谱仪来利用散裂中子源产生的中子进行研究。 ﻪ中国散裂中子源的小角中子散射谱仪,借鉴了赵金奎此前在美国散裂源上研发的同类技术。这项先进的飞行时间小角中子散射谱仪融入了多项他首创的世界尖端中子技术,包括飞行时间框架跳越,谱仪与中子慢化器优化匹配,真正弯曲的多通道中子导管,大面积高压氦同位素探测器管阵,先进的多用途斩波器及先进的数据处理等。同时,赵金奎也一致关心中国散裂中子源和中子散射谱仪的发展和完善。当他对中国散裂中子源的谱仪布局进行研究后,发现散裂中子源原有的20条中子束线中有3条可以分叉,在同一条中子束线上建造两台以上的谱仪。他把这一建议做了初步物理设计并交给了散裂中子源进行下一步推动。这样的束线分叉可以把作为国家重大资源的散裂中子源的利用率提高15%以上。

“中子很难获取,需要大量的资金投入来建设庞大的仪器设备。”据赵金奎介绍,中国散裂中子源建成后,成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起,构成世界四大脉冲散裂中子源。但与美国的散裂中子源相比,中国散裂中子源无论是资金投入还是设计功率都还不足,这是基于我国当时科学技术发展的国情和实际需要。但中国的散裂中子源也有其特点:它在构型和重复频率上采用了独特优化的设计,能够满足当时我国大部分科研的需求。随着时代的进步和我国科技发展的需求,我国必将会对中子资源有更多的投入。 ﻪ“因地制宜,走出特色”,中国散裂中子源独有的魅力大抵如此。

“由于中国散裂中子源是一个中小通量的中子源,在中子通量和强度上无法和美国、日本及欧洲的大功率散裂中子源正面相比。因此,发展先进的中子散射技术和方法,建立自己的特长,是增加中国散裂中子源在世界上的竞争力,达到和保持先进水平的最好保障。”赵金奎带领的团队一直在开发和探索新的中子散射、中子探测等方法和技术。虽然中国散裂中子源在功率、通量方面都还有很大的提升空间,利用先进的中子技术,有效地提高中子利用率,能够让散裂中子源更好地为我国科技发展服务。

跻身世界散裂中子研究的前沿

前路漫漫,科学家们对中子散射技术的创新之路从未废止。多年来,赵金奎创建了多种创新型的中子散射技术和谱仪概念,包括全新的中子自旋回波共振技术、逆反几何型布里渊非弹性中子散射仪、相位分辨中子干涉仪全息中子成像、迈斯纳超导屏蔽下的中子自旋回波小角散射等。其中,全新的中子自旋回波共振技术比现有的中子自旋回波共振技术更加抗干扰且可有更高的分辨率。赵金奎和团队从理论上攻破了拉莫尔进动和无线电波共振两种方法各有所长,但又各有缺陷、很难将两者结合的难题,成功建造出相关实验谱仪,为非弹性中子自旋回波共振开创了一个全新的科技领域。

中子慢化器的设计,尤其是它与谱仪的匹配,一直是国际上散裂中子源设计的一个重要问题。在包括美国散裂中子源在内的多数大型散裂中子源设施中,慢化器与谱仪的匹配都有待大幅度提高。赵金奎在相关方面进行了深入的研究并得出了一套慢化器和谱仪匹配的理论。与此同时,他第一次系统地分析了长、短脉冲散裂中子源对不同中子散射方法的优缺点。相关成果可以大幅度增加中子散射谱仪的功能,提高散裂中子源的整体水平,也为未来散裂中子源的计划和设计起到了引导作用。

在大型科学计算,尤其在并行蒙特卡罗计算方面,赵金奎也有诸多创新成就。他撰写及发表了多个大型科学软件,涉及中子谱仪的设计、中子散射的数据处理及大分子模型的计算等。其成果将对散裂中子的应用起到直接的推动作用。

中子研究人才梯队建设卓有成效

中国散裂中子源的建设就像是一把利器,为我国在前沿材料科技研究和解决众多“卡脖子”问题开辟了新的途径。而松山湖材料实验室的建立,紧邻和依托中国散裂中子源,正合天时、地利,也创造了人和,人才是科学和技术发展的关键。

实验室重视人才培养,短短几年时间,仅中子团队就从海外聘请了近10位资深和中青年国际中子散射专家,多人有20年以上的工作经验,多人入选国家高层次人才引进项目。另外,团队还着力于引进和培养年轻有为的青年科学家,整个团队还在不断扩大,结构趋于合理。如今,团队已经形成了中子量子材料研究、中子结构材料研究、中子软物质材料研究、中子能源材料研究、中子技术研发等主要前沿研究方向。随着人才的引进和团队的扩大,团队还将继续扩展和细化研究领域和方向。

放眼如今的中华,中子散射之千秋伟业方兴未艾,人类对微观世界的探索未曾停歇。让我们顺应科技发展的时代趋势,既要坚持高水平科技自立自强、深入实施创新驱动发展战略,也要深化中子研究合作,为探索材料科学支撑构建新格局。