“超級顯微鏡”如何工作？探秘大科學裝置中國散裂中子源
廣東東莞一片鬱鬱蔥蔥的荔枝林裡，坐落著一座“中子工廠”。
這是我國迄今為止已建成單項投資規模最大的大科學工程——中國散裂中子源（CSNS），它由國家發改委支援建設，其建成使得我國成為繼英國、美國、日本之後，世界上第四個擁有散裂中子源的國家。
X射線能“拍攝”人體的醫學影像，而在材料學、化學、生命科學等領域，科學家們更希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線一樣“拍攝”到材料的微觀結構。散裂中子源就是利用中子來探知微觀世界的工具。
中子散射為何是探索物質微觀結構的“理想探針”？“中子工廠”是如何源源不斷“生產”中子的？這些中子有哪些應用場景？帶著這些問題，新京報記者近日走進了正在進行暑期停機檢修的中國散裂中子源。
研究微觀世界的“理想探針”
1998年，德國發生了一起高鐵事故，列車途經埃舍德鎮時脫軌，導致101人死亡。此後，科學家陷入了對事故原因分析的爭議當中。他們最終透過中子裝置發現，是車輪老化導致了這場慘烈的事故。
這意味著，如果利用中子提前探知鐵軌、渦輪、機翼等器件的殘餘應力和金屬疲勞，或將避免類似災難再次發生。
中子由物理學家查德威克於1932年發現，它們和質子一起組成了原子核。中子以其不帶電、穿透性強、具有非破壞性等特質，成為研究物質結構的“理想探針”之一。
“中子無處不在，我們的身體幾乎一半都由中子組成。”中國科學院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉說，由於中子不帶電，不易受到帶電質子和電子的阻礙，可以更為輕鬆地穿透物質。
中子束打到被研究的物品上，大多數會穿過物品，但有些中子會與它們的原子核發生相互作用，其運動方向也會發生改變。這就好比向一張網不停地扔玻璃彈珠，有的會穿網而過，有的打到網上向四面八方彈開。中子就像玻璃彈珠，而被研究的物品則像這張網，透過研究玻璃彈珠的軌跡及其能量和動量的變化，就能反推出網的結構。
和X射線一樣，中子具有穿透性，但X射線的穿透深度有限，無法穿透大多數金屬。中子則不存在這一限制，它甚至可以穿透很厚的密封鉛管，“看見”裡面的東西。
儘管空氣中存在自由中子，但強度很弱。“研究物質微觀結構，所需要的中子量很多、很強。”陳延偉說，此前，科學家利用反應堆產生中子，但這種方法連續產生的中子強度受熱量移除限制接近極限。為此，科學家設計了新的產生中子的裝置——散裂中子源。
其工作原理是，加速器首先將質子加速到接近光速，使質子束像子彈一樣轟擊重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家透過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。
脈衝散裂中子源技術複雜、造價高、實驗難度大。此前，世界上只有三個國家擁有這樣的裝置，分別位於英國盧瑟福實驗室、美國橡樹嶺國家實驗室以及日本原子能機構在茨城縣東海的實驗室。
荔枝林中長出“國之重器”
中國科學院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生描述過這樣一段經歷：他曾為探究鋰電池效能到訪日本散裂中子源實驗站，但對方拒絕其參觀，“因為你們是競爭對手”。他當時就暗下決心，“回國後我們自己做！”
上世紀九十年代末期，中國科學院高能物理研究所和中國原子能研究院的老科學家指出了建設散裂中子源對國家科技發展的必要性。此後，散裂中子源被列入國家“十一五”的大科學裝置建設計劃。2006年，散裂中子源選址廣東，這也是我國的大科學裝置首次落戶珠三角地區。
中國科學院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉在中國散裂中子源沙盤前講解。新京報記者 張璐 攝
2012年至2017年的6年間，在東莞的松山湖科學城群山之中，“國之重器”中國散裂中子源從一片荔枝林中“長了”出來。選址於此有一個重要原因，這裡的地質條件非常好，能承受住近萬噸重的靶站、譜儀壓在上面，每年沉降量小於0。2毫米。
2017年秋天，中國散裂中子源首次打靶成功獲得中子束流。一年後，中國散裂中子源透過國家驗收，正式執行並向國內外科學家、工程技術人員、工業企業開放，根據他們實驗和專案的科學價值分配使用時間。
“以往中國沒有散裂中子源時，我國科學家要到國外排隊申請做實驗，但對方給我們的使用時間未必能滿足需求。最重要的一點是，我國很多核心關鍵裝置不能出國進行實驗，比如重要裝置的部件、高鐵的輪軸等。”陳延偉說。
中國散裂中子源甫一開放，就感受到了使用者旺盛的需求。開放4年來，全球已註冊使用者3800多人，已完成了800多個科學課題，包括深海潛水器焊接模擬件等大型工程部件殘餘應力和服役效能檢測等，為我國急需的高效能結構材料攻關提供了關鍵技術平臺。近一個執行年度，使用者申請課題翻番，目前，裝置只能滿足其中29%的需求。
近日，趁著中國散裂中子源進行暑期“保養”，記者看到了這個深藏於地下17米的“熱門”大科學裝置，實地瞭解“超級顯微鏡”是如何工作的。
加速器技術進步催生治癌利器
中國散裂中子源由一臺負氫離子直線加速器、一臺快迴圈同步加速器、一個靶站、多臺中子譜儀及相應配套設施組成。
在裝置的起點，直線加速器長達200米的隧道一眼望不到盡頭，這裡排列著各種顏色、連線各種管線的複雜裝置。科研人員首先使用氫氣產生負氫離子，即多了一個電子的氫原子，並將它們在直線加速器里加速。
中國科學院高能物理研究所東莞研究部副主任王生在直線加速器隧道中介紹相關裝置。新京報記者 張璐 攝
這個過程聽起來抽象，但在其中關鍵技術研發過程中，衍生出了非常具體實際的應用。
硼中子俘獲治癌研究已有70年的歷史，過去使用核反應堆產生的中子進行治療，但核反應堆難以進入醫院中。最近10年，隨著加速器技術的發展，科研人員可以做出小巧、易於維護執行的加速器放置在醫院中。
“硼中子俘獲治療BNCT裝置是利用中國散裂中子源相關技術催生的首個產業化專案，其實驗裝置已於2020年8月建成，第一臺臨床裝置正在醫院安裝，將可治療癌症。”據中國科學院高能物理研究所所務委員、東莞研究部副主任王生介紹，治療時先給病人注射一種含硼的藥物，這種藥物與癌細胞有很強的親和力，會迅速聚集於癌細胞內，相當於給癌細胞做“標記”。隨後用加速器產生的高流強質子打靶產生高通量中子對病灶部位進行照射，當照射的中子被癌細胞內的硼俘獲，產生高殺傷力的α粒子和鋰離子，便可精準“殺死”皮下8釐米以內的癌細胞。
α粒子和鋰離子射程很短，剛好約一個細胞的長度，可“殺死”癌細胞而儘量不損傷周圍細胞組織。
BNCT實驗裝置已經進行了細胞實驗和動物實驗，目前，研究團隊正在與東莞市人民醫院共同推進臨床試驗相關工作。
BNCT裝置加速器。中國科學院高能物理研究所供圖
全年工作超5
2
00小時的“中子工廠”
當直線加速器中的負氫離子能量達到8千萬電子伏特時，它們將進入下一環節，“飛奔”進入圓環形的快迴圈同步加速器中，穿過碳膜將兩個電子剝離掉轉變為質子，用0。02秒在228米長的“跑道”內狂奔兩萬圈，把能量提高19倍，達到16億電子伏特，速度也達到0。92倍光速。
加速器和靶站實驗大廳示意圖。中國科學院高能物理研究所供圖
一秒鐘之內，有25波負氫離子陸續進入快迴圈加速器加速。
據王生介紹，散裂中子源裝置極為龐大，裝置部件繁多，工藝極其複雜，製造和安裝過程克服了重重困難。其中，快迴圈同步加速器的研製遇到了挑戰，比如25赫茲交流磁鐵及勵磁諧振電源在我國屬首次研製，難度超乎想象。磁鐵的作用是對質子束流進行控制和約束。25赫茲交流磁鐵就是要使磁場從最高到最低再到最高，每秒反覆25次，這種電流快速變化會導致鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱等，都是大家經驗之外的新問題。“關鍵技術掌握在國外一兩家大公司手中，我們不可能透過科技交流得到技術資訊。”科研人員與中國科學院高能物理研究所工廠工程技術人員聯合攻關，經過6年時間，逐一攻破技術難關，終於靠自己的力量研製出合格的磁鐵，關鍵技術指標超過國外同類裝置。
中國散裂中子源快迴圈同步加速器區域性。新京報記者 張璐 攝
接近光速的質子束像子彈一樣衝向重金屬靶，就像機關槍一樣，每天要打上200萬發“子彈”。金屬原子核在高能質子的轟擊下發生散裂反應，釋放出質子和中子。科學家便透過特殊的裝置“收集”中子做實驗。
為了儘可能多地滿足使用者需求，裝置24小時運轉產生中子束，除了每週一天的檢修和暑期兩個多月的檢修，裝置只有春節時才可以放上“7天假”。“去年裝置執行的時間超過了5200小時，這是國際上最好的，其他散裂中子源裝置一般只有四千小時左右。”王生說，裝置的實際執行效率達到97%，這是散裂中子源實際執行時間與計劃執行時間的比值。數字越高，意味著裝置故障率越低、穩定性越好。
“超級顯微鏡”揭秘微觀結構
從地下17米的加速器隧道中走出，記者來到了靶站譜儀大廳。在這裡，質子束轟擊重金屬靶後，瞬間產生的中子束流脈衝又短又強，中子經過慢化後，再引入一臺臺譜儀中。
藍色、橙色、綠色、紫色……多臺譜儀以靶站為中心，像太陽花的各色花瓣一樣向外伸展。中子被引入譜儀後，和其中樣品材料的原子核相互作用，產生散射。透過測量散射的中子，可以研究樣品的微觀結構和動力學。
靶站譜儀大廳，每臺功能不同的譜儀顏色各異。中國科學院高能物理研究所供圖
中國散裂中子源一期共建了3臺譜儀，未來還將有多臺譜儀陸續建成投用。譜儀有哪些典型應用？中國科學院高能物理研究所東莞研究部副主任梁天驕一一道來。
綠色外觀的通用粉末衍射儀，主要用於研究物體的晶體結構和磁結構，現在也在開展小部件的殘餘應力測試。由於中子的穿透力很強，即將開始除錯的工程材料譜儀還可以在不破壞樣品的情況下，研究高鐵車輪、航空航天發動機葉片等大型部件的殘餘應力和金屬疲勞，適應國家重大需求。
殘餘應力是指在加工、服役等過程中，保留在材料、部件內的應力，它可能導致工程部件的變形乃至失效。“舉例來說，萬米潛水器的殼體是鈦合金焊接的，相關單位將不同焊接工藝製成的焊接模擬件拿到譜儀中來測試，從而瞭解不同焊接工藝的殘餘應力引數，為殼體壽命預測、焊接工藝選擇提供關鍵資料支撐。”
通用粉末衍射儀。實驗時，遮蔽門將封閉，實驗人員在控制室中讀取資料。新京報記者 張璐 攝
散裂中子源不僅能夠滿足航空航天、深海探測等重大科研專案對尖端裝置的需求，也能服務於百姓日常生活，在醫療健康等領域大放光彩。
小角中子散射儀和微小角中子散射儀，探測的是物質內部奈米尺度的微觀結構。“它也可以研究如何調整冰淇淋的成分配方使其更加可口。”梁天驕用一個例子，拉近了兩臺深奧裝置和大家的距離。它們可以應用於生命科學、食品科學等領域，目前，小角中子散射儀已經開展了高分子材料、頁岩、癌症治療新型藥物等研究，對藥物研發提供微觀機理支撐。
中子對碳、氫、氧、氮等能源和生命科學領域極為重要的輕元素很敏感。比如分佈於深海或陸域永久凍土中的“可燃冰”，是甲烷與水在高壓低溫條件下形成的結晶物質，科學家必須將它們放在很厚的金屬容器內，模擬千米水深下的壓力和低溫條件，研究其微觀結構的變化。憑藉中子超強的穿透能力，可以透過厚厚的容器研究可燃冰性質。
“可燃冰開採的一個關鍵問題就是，其壓力、溫度條件變化後，微觀結構變化可能導致宏觀物性變化帶來安全隱患。透過高壓粉末衍射儀，我們可以研究可燃冰在不同狀態下微觀結構的變化及影響。”
譜儀還能助力文物研究。梁天驕說，能量分辨中子成像譜儀建成後，可以為很多寶貴的文物做無損中子“CT”，瞭解它的三維結構。
“升級”計劃提上日程
目前，中國散裂中子源已經“超額”完成設計指標。2020年2月，打靶束流功率達到100千瓦的設計指標，比原計劃提前一年半。目前束流功率達到了125千瓦，更高束流功率的“升級”計劃已經提上日程。
王生說，一期工程設計已經預留了升級改造空間。下一步，中國散裂中子源的打靶束流功率將從目前的125千瓦增加到500千瓦，這意味著，裝置在同等時間裡產生更多中子，不僅能有效縮短實驗時間、使實驗解析度更高，也可以對更小的樣品開展中子散射實驗。
“新的譜儀和實驗終端建成後，將滿足更多使用者對更小樣品、更高精度的測量要求。”梁天驕說，屆時，裝置將為開展結構表徵、動力學測量、原位研究和高空間分辨檢測等多學科交叉研究提供更有力的支撐。
“國之重器”將“上新”
作為建有北京正負電子對撞機、中國散裂中子源、高海拔宇宙線觀測站、江門中微子實驗、高能同步輻射光源等眾多大科學裝置的“大戶”，未來，中國科學院高能物理研究所在“國之重器”規劃上還有哪些佈局？
“一是基於加速器的高能物理研究。”中科院院士、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳表示，北京正負電子對撞機幾年後將完成科學使命，環形正負電子對撞機（CEPC）是正在規劃中的下一代高能粒子加速器專案，科學家希望藉此研究希格斯粒子及相關的科學問題，尋找超出“標準模型”的新物理。
二是在空間方面，中國科學院高能物理研究所規劃了兩個專案，一個是未來的X射線天文臺——增強型X射線時變與偏振空間天文臺（eXTP），在中國首顆空間X射線衛星“慧眼”的基礎上，它不僅將測量X射線能量，還可以測量X線的偏振，將引領國際黑洞和中子星等極端天體物理研究，成為國際領先的X射線天文裝置。
另外一個是中國空間站高能宇宙輻射探測設施（HERD），在中國空間站上建設一個宇宙射線探測器和一個伽馬射線探測器，接續正在國際空間站上進行的AMS實驗，提高對宇宙線測量的接受度和能量範圍，來尋找暗物質並測量宇宙線的能譜和成分。“它也是對地面高海拔宇宙線觀測站拉索（LHAASO）測量宇宙線能量的標定。二者將結合起來，一起研究宇宙射線的起源和加速機制。”
王貽芳說，在中微子方面，江門中微子實驗將於明年建成，未來還將進行升級。“我們也在討論要建立一箇中微子水下或冰下的裝置，透過伽馬射線、帶電粒子和中微子三者的結合，徹底理解宇宙線的起源和加速機制。”
新京報記者 張璐
編輯 樊一婧 校對 劉軍