中國「超級顯微鏡」開啟新一輪微觀世界探秘之旅

2020-12-14 光明網

  位於廣東省東莞市大朗鎮的中國散裂中子源。新華社記者劉大偉攝

  新華社廣州9月26日電(記者全曉書、王攀、荊淮僑、劉藝煒)經過兩個多月的暑期檢修,坐落在廣東省東莞市的中國散裂中子源26日開始新一輪開放運行。在接下來的四個月裡,科研人員要將這臺巨型「超級顯微鏡」的束流功率穩步提升到80千瓦,並用它來探測更多神奇材料的微觀結構。

  據中國科學院高能物理研究所東莞分部中子科學部副主任張俊榮介紹,新一輪開放吸引的常規課題申請數量達164項,比上一輪大幅增長,57項獲批開展實驗,其中1項來自國外,5項來自香港和澳門。「實驗對象主要涉及磁性材料、量子材料、鋰電池材料、頁巖、催化材料、高強鋼、高性能合金等。」

  中國散裂中子源由中國科學院高能物理研究所承建,共建單位為中國科學院物理研究所,於2011年9月開工建設,總投資約23億元,2018年8月通過國家驗收,投入正式運行。它包括一臺直線加速器、一臺快循環同步加速器、一個靶站,一期三臺中子譜儀以及附屬設施。

  探究材料的理想「探針」

  人類探求微觀世界的過程,就是一部顯微鏡「升級史」。光學顯微鏡的誕生,使人類第一次看到了細胞和細菌的世界;而電子顯微鏡比光學顯微鏡的解析度還要高1000倍左右,可以幫助科學家研究更小的病毒。隨著粒子物理的興起,人類對物質的研究已經深入到原子內部,「超級顯微鏡」散裂中子源便應運而生。

  中國散裂中子源的快循環同步加速器。新華社記者劉大偉攝

  中子由於不帶電,不易受到帶電質子和電子的阻礙,能比其他粒子更為輕鬆地穿透物質。中子束打到被研究的樣品上,大多數會不受任何阻礙而直接穿過,但有些中子會與樣品的原子核發生相互作用,其運動方向也會發生改變,向四周「散射」。科學家通過測量中子散射的軌跡及其能量和動量的變化,就可以精確地反推出被測樣品的結構。

  中科院高能所東莞分部副主任金大鵬舉例說,在能源材料領域,氫動力汽車比以汽油為燃料的汽車更加節能環保,科學家希望以密度更高的固體形式存儲氫,但是給氫氣加壓又容易引發爆炸,於是,科學家就嘗試用一種金屬—有機框架(MOF)材料,它可以把氫氣吸進去,用的時候再把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學家研究氫氣在這種材料的什麼位置、以及什麼情況下更好地儲存和釋放出來。

  正是利用了中子在探測物質材料方面的優勢,中國散裂中子源首批建設的三臺供科學實驗用的中子譜儀,已經取得了豐碩的研究成果。

  「從去年9月至今年6月,中國散裂中子源先後進行兩輪開放運行,用戶申請十分踴躍,機時供不應求,共完成用戶課題101個,其中來自香港地區以及國外的用戶課題11個。」張俊榮說。

  香港大學用戶正在進行實驗。中國科學院高能物理研究所東莞分部供圖

  今年上半年,從事材料研究的香港大學黃明欣副教授就利用中國散裂中子源做了一項有關高強度鋼結構性能的實驗。高強鋼作為汽車行業的熱門材料,既要輕又要結實安全。黃明欣對其團隊研發的超級配分鋼進行了細緻測試,發現了新的位錯機理,為設計更高屈服強度和延展率的鋼材料提供了重要參考。

  黃明欣不僅對實驗結果十分滿意,而且對散裂中子源近在咫尺帶來的便捷感觸頗深。此前,他曾向日本散裂中子源申請機時,要先設計好實驗步驟,然後把材料寄到日本,對方做完實驗後再把數據回傳給他。現在,從香港出發,一個半小時車程就能到達位於東莞大朗鎮的中國散裂中子源,「就像在自家門口」。

  「接下來,我們希望用三到四年時間,再規劃建設5到7臺用戶譜儀,包括工程材料衍射儀、大氣中子輻照譜儀、全散射多物理譜儀等。」金大鵬說。

  不可思議的調試難度和速度

  中國散裂中子源是繼英、美、日之後,世界第四臺脈衝散裂中子源。雖然建成較晚,但中國科研人員對實驗設備的高效率調試卻令國外同行嘖嘖驚嘆。

  功率是衡量散裂中子源性能優劣的一個重要指標。驗收時,中國散裂中子源的功率達到20千瓦,預期三年內達到設計功率100千瓦。

  工程師在中國散裂中子源檢查直線加速器工作情況。新華社記者劉大偉攝

  在正常狀態下,中子被緊緊束縛在原子核內,自然界中儘管存在自由中子,但壽命很短且不易收集,散裂中子源正是一座巨大的「中子工廠」。「功率越高,產生的中子就越多,樣品散射的中子信號就越強,實驗速度就會更快,實驗獲得的數據質量也會更好。」金大鵬說。

  但是,整個中子源的運行功率只能逐步提升。金大鵬解釋說:「我們是十千瓦、十千瓦,甚至五千瓦、五千瓦地往上提升,因為要看在更高的功率負荷下所有部件的運行是否和設計一致,要觀察加速器、靶站、譜儀能不能很好地工作。」

  中國散裂中子源物理組負責加速器的總體設計,下面對應著十幾個硬體系統,涉及幾千套設備。過去一年裡,他們在每一個功率水平上都對這些設備的參數進行了反覆調試,以求找到最優的組合。

  據中國散裂中子源物理組科研人員許守彥介紹,他們要把束流時間誤差控制在納秒級別,一納秒相當於十億分之一秒,這就要求他們的調試比測量儀器還精確。「但參數組合實在太多了,任何一個小問題都可能是成百上千套設備的誤差混合在一起產生的。」

  中國散裂中子源運行管理人員在檢修快循環同步加速器。新華社記者劉大偉攝

  英國和日本的散裂中子源加速器都經歷十年調試才達到設計指標。「最開始調試時,我們發現環形加速器上有兩個設備不同步,差了100微秒,也就是0.1毫秒。根據國際同行的經驗,就算花上一個月去找問題根源,也很正常。幸運的是,我們當天就找到了引發誤差的原因。」許守彥說。

  「因為別人走過的彎路我們沒有走,還有就是中國人幹活更拼一些。」許守彥笑著解釋說,「加班加點是常事,我曾經連續工作過三十六七個小時不休息,當時一點都不困。以前只能在電腦上模擬演算,當真正看到設備運行每一步都達到了預期,真的非常興奮,迫不及待想要進行下一步測試。」

  科學家們最終希望將中國散裂中子源的功率從100千瓦提高到500千瓦。為此,他們在初始設計階段就預留了進一步改造和提升的空間。目前,科研人員已經著手進行加速器二期升級的設計。

  「我們學物理,最大的樂趣就是能夠不斷探索、不斷接近事物的本質原理,散裂中子源是幫助我們實現這一夢想的平臺。」許守彥說。

[ 責編:張佳興 ]

相關焦點

  • 中國「超級顯微鏡」開啟新一輪微觀世界探秘—新聞—科學網
    位於廣東省東莞市大朗鎮的中國散裂中子源。新華社記者劉大偉攝   新華社廣州9月26日電(記者全曉書、王攀、荊淮僑、劉藝煒)經過兩個多月的暑期檢修,坐落在廣東省東莞市的中國散裂中子源26日開始新一輪開放運行。
  • 中國散裂中子源:「超級顯微鏡」帶你格物探微觀世界
    3月2日,繼物理學家、諾貝爾獎獲得者楊振寧到訪後,位於廣東東莞的中國散裂中子源基地又迎來了新一波參觀的客人。中科院院士陳和生向來訪的外國駐港領團、商會、媒體考察團一行詳細介紹了粵港澳大灣區的首個國家重大科技基礎設施——中國散裂中子源(CSNS)。今年春節前夕,CSNS圓滿完成了首輪開放運行任務,加速器束流功率提升至50千瓦以上。
  • 手機+一個鏡頭=顯微鏡,隨時隨地進入「微觀王國」
    春天到了,誰不想看看這生機勃勃的世界呢?你有沒有想過換一種方式去觀察?還記得生物課上第一次在顯微鏡下看到洋蔥表皮細胞時,好奇心爆棚的感覺嗎?😆沒錯!這一次我們就是要透過顯微鏡來看看這個世界~無需藉助價格昂貴的專業設備,有了《時尚科技秀》為我們介紹的這個可攜式手機顯微鏡,也許你能打開一個神奇又有趣的春天。
  • 中國散裂中子源:「超級顯微鏡」看清材料微觀結構
    對中國散裂中子源來說,2018年8月23日是個難忘的日子。當天,中國散裂中子源通過國家驗收,正式投入運行。驗收委員會專家認為,中國散裂中子源的各項指標均達到或優於批覆的驗收指標。裝置整體設計先進,研製設備質量精良,靶站最高中子效率和3臺譜儀綜合性能達到國際先進水平。
  • 你的手機可以變成顯微鏡了,微觀世界的大門等你開啟
    偶爾看到這種「黑科技手機外顯微鏡」。我上網查了一下,發現是華中科技大學幾位博士做的一個創業項目。這是這個產品的介紹。傳統顯微鏡的高閾值常常阻礙了公眾的探索。他打破了框架,允許將顯微鏡連接到手機的攝像頭上;自動對焦以獲得清晰的圖像;拇指大小,重量僅為3G,便攜;與iOS/Android智慧型手機兼容。從光學原理上講,這款黑科技可以看作是傳統顯微鏡的簡化版。研發難度主要體現在設計和製造工藝上。光線的設計、工作距離等細節都與圖像的清晰度密切相關,可以說是將整個身體拉攏在一起。
  • 這個「超級顯微鏡」能窺探微觀世界奧秘
    原標題:這個「超級顯微鏡」能窺探微觀世界奧秘 距離綿陽老城區數公裡的石板埡,坐落著一個看起來很普通的院子。這裡,正是我國現有建成時間最早、運行最穩定、應用成效最顯著的大型科研設施——由中國工程物理研究院核物理與化學研究所(即「九院二所」,以下簡稱「二所」)研發建設的中國綿陽研究堆及其中子散射科學平臺所在地。
  • 便攜超小手機顯微鏡~1000倍放大!讓你玩轉微觀世界,驚豔朋友圈
    顯微鏡下神奇的微觀世界總是讓人對它著迷不已。。。
  • 【科技日報】中國散裂中子源:「超級顯微鏡」帶你格物探微
    中國散裂中子源靶站受訪者供圖  3月2日,繼物理學家、諾貝爾獎獲得者楊振寧到訪後,位於廣東東莞的中國散裂中子源基地又迎來了新一波參觀的客人。  探秘微觀 深入認知世界  通俗來說,CSNS是用中子散射的方式來探索微觀世界的工具,陳和生形象地稱它就像「超級顯微鏡」,是研究物質材料微觀結構的理想探針。  在現代科學誕生之前,人類是用肉眼觀察世界。後來,科學家發明了光學顯微鏡,我們第一次看到了肉眼無法直接觀察到的微觀世界。
  • 科學罐頭手持顯微鏡:記錄微觀世界裡的奧秘
    每個孩子的童年裡,都應該有一臺屬於自己的顯微鏡。因為它不但可以開拓孩子的視野、豐富孩子的知識,而且還能通過探索微觀世界的神奇,培養孩子的觀察能力、動手能力。相比傳統的顯微鏡,這款科學罐頭手持可攜式3合1顯微鏡不但小巧精緻,而且輕質便攜,在設計上更貼合孩子手型,有著不錯的抓握手持感。其搭載的高清光學鏡片,最大可支持120倍高清視覺呈現。科學罐頭手持可攜式3合1顯微鏡不需要額外連線,只需要一節7號電池即可開啟自帶LED燈,滿足了在探索不同環境中依然可以呈現出高清視覺畫面的需求。
  • 巴掌大、可放大120倍日本肯高顯微鏡,讓孩子放下手機看微觀世界
    如今一臺顯微鏡的價格根據類型及功能配置會有千差萬別的價格變化。科技總是不斷發展,顯微鏡有了新的外觀。今天推薦一款巴掌大小、可放大120倍的日本肯高顯微鏡,曾風靡日本,六一給小朋友當玩具不錯,讓孩子放下手機看微觀世界。
  • 「超級顯微鏡」:探秘中國散裂中子源—新聞—科學網
    中國散裂中子源是我國「十二五」期間建設的規模最大的大科學裝置,將成為世界上第四臺脈衝式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探測核外電子來研究物質結構的同步輻射裝置互為補充,都是研究物質結構的強有力工具。 中子散射:微觀世界研究利器 1932年,查德威克發現了中子,人們認識到原子核由帶正電的質子和不帶電的中子構成。中子的發現及應用是20世紀最重要的科技成就之一。
  • 智慧型手機鏡頭秒變顯微鏡,瞬間放大400倍,隨身攜帶玩轉微觀世界
    但是,幾乎所有人都是使用手機來自拍或者拍風景,卻忽略了微觀世界的美。比如,普通人拍出的雪花是這樣的。而微觀世界的雪花卻是這樣的。而且微觀世界中存在的畫面大多都是非常美麗的,比如以下的這幾張微觀照片都是使用手機所拍攝的。
  • 日本推口袋顯微鏡,放大120倍看微觀世界
    沒錯了,說的就是顯微鏡——人類觀察微觀世界奧秘的好助手。放大5000倍的蝴蝶翅膀,你們知道是什麼樣的嗎?蝴蝶,以及蝴蝶標本看了不少,但我第一次知道放大5000倍的蝴蝶翅膀長這樣:原本眼中五彩斑斕的翅膀,逐漸呈現出只有黑白兩色的世界。養過貓咪的的人,都知道主子粉嫩的小舌頭,就跟小小的貓腦闊一樣可愛。
  • 中科大成功把手機變成顯微鏡!13項核心專利讓你輕鬆觀察微觀世界
    為了改變這種狀況,小編身邊的朋友都會選擇買一臺顯微鏡給孩子當玩具,既能讓孩子探索奇妙的微觀世界又能戒掉一些遊戲,同時還能培養他們對世界的認知,原來地球就是由這些小小的生命組成的。對於一家有錢人來說,這些更是教育孩子的必備科教產物,比如明星吳京在兒子3歲時就給他買了一臺顯微鏡,以便於孩子對身邊事物的認知!
  • 超方便的手機顯微鏡,輕輕一夾,為孩子推開微觀世界的科學之門
    科技發展如此迅速,讓現在的我們,根本無法預測十幾、二十年後的世界。所以,現在全球的家庭教育和學校教育,都在朝一個目標使勁,那就是:致力於培養孩子的能力,尤其是適應新環境、學習新事物的能力。孩子只要愛學習、會學習、能終身學習,就能無懼未來的各種競爭。
  • 影響世界的重要實驗:用顯微鏡看微觀世界
    羅伯特·胡克或許錯失了讓自己的名字出現在波義耳定律中的機會,但是作為最先使用顯微鏡的人之一,他很快在實驗上取得了更大的成功。在17世紀下半葉,很多實驗者使用透鏡放大微小物體來研究微觀世界,而胡克進行了更深入的工作,並在他的著作《顯微術》中對他的發現做出了解釋。
  • 國產「掌上顯微鏡」!連上手機就能用,感受1000倍的微觀世界
    開學季以來就發現身邊家長喜歡給孩子買顯微鏡玩,能讓孩子主動放下手機,認真觀察做一件事真的有點難,而顯微鏡底下放大的微觀世界卻能勾起孩子的好奇心。演員吳京和謝楠給他們家孩子買了臺顯微鏡,這讓一個僅3歲多的小孩就能正確分辨頁巖石、花崗石、方解石、植物化石等,不得不驚嘆孩子的潛力是無窮的。
  • 放大800倍的世界是怎樣的?德國兒童顯微鏡,讓孩子洞察微觀世界
    我們經常會告訴孩子,要仔細觀察周圍的世界,說不定會有驚喜的發現。有時,孩子們會用放大鏡、放大5倍,研究新鮮事物。這時,需要一個顯微鏡。放大30倍,蜜蜂的腿就是這樣的:其實有了顯微鏡,將事物放大100倍、600倍甚至800倍,也都沒問題!
  • 日本設計的兒童顯微鏡!放大120倍發現新世界,中國孩子新玩物
    日本設計的兒童顯微鏡!放大120倍發現新世界,中國孩子新玩物很多家長都知道很多家長朋友都知道,家裡的孩子在成長的過程中,對外界的事物總是充滿了好奇,總喜歡問各種各樣的問題,有些問題有時連我們自己都回答不上來,心裡總覺得不是滋味。
  • 可攜式手機顯微鏡,400倍放大,鏡頭那邊就是微觀王國
    在我們肉眼看不見的地方,藏匿著一個由微小生命組成的世界,在那裡,許多我們熟知的生物,都變得新奇而神秘。很多人對微觀世界的印象,還停留在中學的生物課上,第一次使用專業顯微鏡;第一次觀察洋蔥表皮細胞;第一次用牙籤刮取口腔上皮細胞(老師還在旁邊嘮叨:「先漱口哈,別帶著棒碴粥就刮下來了......」)。