去年夏天，我國(guó)首臺(tái)散裂中子源正式通過國(guó)家驗(yàn)收并對(duì)用戶開放。這一占地400畝、坐落在廣東東莞的大科學(xué)裝置，目前已結(jié)束首輪運(yùn)行。

據(jù)“科學(xué)網(wǎng)”3月12日消息，利用一期建設(shè)完成的3臺(tái)譜儀，散裂中子源已經(jīng)完成了來自超導(dǎo)材料、鋰電池、高性能材料等多個(gè)領(lǐng)域的用戶課題，不少研究成果相繼在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表。

中國(guó)首臺(tái)散裂中子源主裝置區(qū) 圖丨中國(guó)科學(xué)院

除了完成來自用戶的課題，園區(qū)一線的科研人員還要負(fù)責(zé)把這個(gè)“大家伙”的狀態(tài)調(diào)整到最佳，并為中國(guó)散裂中子源培養(yǎng)好各個(gè)領(lǐng)域的用戶。

研究新材料 中子顯身手

自散裂中子源建成以來，第一篇用戶實(shí)驗(yàn)科學(xué)成果文章，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生于通用粉末衍射儀團(tuán)隊(duì)。

“我們其實(shí)是末端設(shè)備”，中科院物理所研究員、散裂中子源通用粉末衍射儀（GPPD）系統(tǒng)負(fù)責(zé)人何倫華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，語氣十分謙虛：“其他團(tuán)隊(duì)這么辛苦地提供高質(zhì)量的中子，我們一定要用好，這樣才能對(duì)得起大家?！?

來自北京大學(xué)的研究者與通用粉末衍射儀團(tuán)隊(duì)合作，利用中子在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)，將束流打到晶體粉末樣品上，對(duì)一種含有鎳、錳、鈷三種過渡金屬的鋰電池正極材料進(jìn)行了精確的結(jié)構(gòu)分析，確定了材料中一種普遍存在的影響充放電性能的結(jié)構(gòu)缺陷。

與已經(jīng)投入使用多年的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)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”?！拔覀兊脑O(shè)備信噪比很低，誤差很小，因此獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量很高。”何倫華表示。

中國(guó)首臺(tái)散裂中子源主裝置 圖丨科技日?qǐng)?bào)

為何這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)一定要通過中子衍射譜儀才能實(shí)現(xiàn)？這與中子本身的特點(diǎn)有關(guān)。

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?yàn)榕cX射線相比，中子對(duì)物質(zhì)中的輕元素更敏感。加之中子本身不帶電荷，穿透力極強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，中子源成為科學(xué)家探尋物質(zhì)最基本結(jié)構(gòu)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(duì)用戶開放以來，散裂中子源已完成40項(xiàng)用戶課題，涵蓋超導(dǎo)材料、新型儲(chǔ)氫材料等多個(gè)領(lǐng)域的研究。

重用戶體驗(yàn) 做好“翻譯官”

目前，散裂中子源的第二輪開放運(yùn)行已經(jīng)啟動(dòng)，計(jì)劃在2019年上半年安排20余個(gè)用戶開展實(shí)驗(yàn)。建設(shè)一臺(tái)裝置，源源不斷地產(chǎn)生“聽話”的中子，其實(shí)是一件非常困難的事情。除了中國(guó)，目前世界上擁有中子源裝置的只有英國(guó)、美國(guó)和日本。

而這樣的大科學(xué)裝置，如果沒有合適的用戶來使用，其價(jià)值也不能充分發(fā)揮出來。

“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(shù)據(jù)分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張俊榮表示。

為大科學(xué)裝置培養(yǎng)用戶也成了工作的一部分。最初，在與高校、研究機(jī)構(gòu)交流的過程中，張俊榮與同事發(fā)現(xiàn)，許多用戶不知道能用散裂中子源做什么。

介紹同領(lǐng)域研究者的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、了解潛在用戶的研究目標(biāo)……經(jīng)過一系列努力，散裂中子源的用戶需求也逐漸增長(zhǎng)起來。

在今年第二輪開放運(yùn)行申請(qǐng)時(shí)，散裂中子源共收到76個(gè)課題項(xiàng)目?！芭c先前開放申請(qǐng)時(shí)接到的課題數(shù)量相比，增速非常快，而且大部分是國(guó)內(nèi)用戶，就像是見證一點(diǎn)弱小的火苗逐漸旺盛起來。”何倫華表示。

而面對(duì)來自不同領(lǐng)域的用戶，張俊榮和同事會(huì)不斷地遇到新問題，思考如何解決不同的研究需求。

有一回，來自超導(dǎo)材料領(lǐng)域的研究者發(fā)現(xiàn)通過中子源獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)期不一致，張俊榮等人排查后發(fā)現(xiàn)，是實(shí)驗(yàn)材料本身的特殊性質(zhì)導(dǎo)致了數(shù)據(jù)異常，便根據(jù)樣品特性做了專門處理。

這些“意料之外”，讓裝置得以進(jìn)一步優(yōu)化。

談及散裂中子源的數(shù)據(jù)分析，張俊榮笑說：“我們就是做‘翻譯’的”。

研究者想通過中子源獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不是直接將中子束打到樣品上那么簡(jiǎn)單。測(cè)量出的數(shù)據(jù)其實(shí)非常原始，需要轉(zhuǎn)化成有效數(shù)據(jù)后有選擇性地提取。

對(duì)一些經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏的“初級(jí)”用戶來說，張俊榮等人還需要幫他們找出哪些數(shù)據(jù)需要提取、可為研究所用。

要想從“小白”變“資深”用戶，張俊榮表示進(jìn)步的訣竅是多多溝通：“懂得提取自己想要的數(shù)據(jù)，用戶一定要知道散裂中子源的性能指標(biāo)如何，能不能解決自己的問題?！?

步履不停歇 再啟新征程

如今散裂中子源能順利投入使用，服務(wù)用戶，其實(shí)是眾多駐守一線的工作團(tuán)隊(duì)日日夜夜、加班加點(diǎn)拼出來的。

散裂中子源的工作原理是給質(zhì)子加速，讓其撞擊金屬鎢靶，從而產(chǎn)生中子。但要實(shí)現(xiàn)這一目的，需要加速器、靶站、慢化器和譜儀等不同團(tuán)隊(duì)通力合作。只要有一環(huán)出了問題，其他團(tuán)隊(duì)的工作就無法進(jìn)行。

2014年，加速器隧道基建延期，為了保證竣工日期不延后，工程經(jīng)理部決定隧道修繕和通用設(shè)備的安裝同時(shí)進(jìn)行。

就在這個(gè)節(jié)骨眼兒，直線射頻團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)從美國(guó)進(jìn)口的4根速調(diào)管出現(xiàn)故障需要返回美國(guó)廠家維修。沒有速調(diào)管，直線加速器就無法得到足夠的微波功率，后續(xù)調(diào)試工作也無法進(jìn)行。

為了保證工程整體竣工時(shí)間“后墻不倒”，接下來的三年半，直線射頻團(tuán)隊(duì)頂住巨大壓力，爭(zhēng)時(shí)間搶進(jìn)度，幾乎成了園區(qū)里的“隱形人”——除了開會(huì)、吃飯，其他時(shí)間都待在直線設(shè)備樓里調(diào)設(shè)備、排故障。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中科院高能物理所研究員李健告訴記者，在高壓設(shè)備反復(fù)調(diào)試的日子里，自己“血壓習(xí)慣性地跟著電壓飆升”，特別怕聽見微信、手機(jī)響，一旦設(shè)備報(bào)警出現(xiàn)問題，即便是三更半夜，都要立刻趕往現(xiàn)場(chǎng)。工程項(xiàng)目一路走來，直線射頻團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了努力-失敗-再努力的過程，最終盼來了成功驗(yàn)收的一天。

回想準(zhǔn)備驗(yàn)收調(diào)試的那幾年，確保散裂中子源順利運(yùn)行的責(zé)任壓在了各個(gè)團(tuán)隊(duì)和課題組身上，通宵工作、聯(lián)軸值班是家常便飯。

如今散裂中子源已經(jīng)正式投入使用，這些科研人員的使命還在繼續(xù)。

未來，散裂中子源二期建設(shè)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(jí)……這個(gè)“超級(jí)顯微鏡”的用途會(huì)越來越廣泛，效率也會(huì)越來越高。

“我們不是建設(shè)完了就走了”，中科院高能物理研究所東莞分部副主任金大鵬表示，中國(guó)散裂中子源的使命是“筑巢引鳳”，吸引粵港澳大灣區(qū)乃至全世界的用戶來合作，為建設(shè)科創(chuàng)中心提供支撐。