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?！睂O光愛告訴記者。

    在高壓、低溫、高溫等不同條件下，可進行材料晶體結(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)達到國際先進水平。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)科研各界的強烈需求，中物院中子技術(shù)團隊通過裝置、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。

    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)于鋯合金變形機理的最新研究結(jié)果也已發(fā)表。團隊還對低/高溫加載環(huán)境下多種樣品進行測量，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)科研團隊，已與中物院中子科研團隊達成協(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)即將進入工程實施，未來將有力推動我國先進材料科學(xué)的研究與發(fā)展。