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“开工”半载,散裂中子源交出成绩单

发布时间:2019-03-13  来源:科学网  浏览次数:150

去年夏天,我国首台散裂中子源正式通过国家验收并对用户开放。这一占地400亩、坐落在广东东莞的大科学装置,目前已结束首轮运行。
 
利用一期建设完成的3台谱仪,散裂中子源已经完成了来自超导材料、锂电池、高性能材料等多个领域的用户课题,不少研究成果相继在学术期刊上发表。
 
除了完成来自用户的课题,园区一线的科研人员还要负责把这个“大家伙”的状态调整到最佳,并为中国散裂中子源培养好各个领域的用户。
 
研究新材料 中子显身手
 
自散裂中子源建成以来,第一篇用户实验科学成果文章,实验数据产生于通用粉末衍射仪团队。
 
“我们其实是末端设备”,中科院物理所研究员、散裂中子源通用粉末衍射仪(GPPD)系统负责人何伦华告诉《中国科学报》记者,语气十分谦虚:“其他团队这么辛苦地提供高质量的中子,我们一定要用好,这样才能对得起大家。”
 
来自北京大学的研究者与通用粉末衍射仪团队合作,利用中子在晶体物质中的衍射效应,将束流打到晶体粉末样品上,对一种含有镍、锰、钴三种过渡金属的锂电池正极材料进行了精确的结构分析,确定了材料中一种普遍存在的影响充放电性能的结构缺陷。
 
与已经投入使用多年的美国国家标准与技术研究院BT1中子衍射仪相比,散裂中子源的通用粉末衍射仪性能也毫不逊色,用起来十分“顺手”。“我们的设备信噪比很低,误差很小,因此获得的数据质量很高。”何伦华表示。
 
为何这项实验一定要通过中子衍射谱仪才能实现?这与中子本身的特点有关。
 
何伦华告诉记者,“新能源、电池材料等方面的研究,最适合用中子源来做”,因为与X射线相比,中子对物质中的轻元素更敏感。加之中子本身不带电荷,穿透力极强等优势,中子源成为科学家探寻物质最基本结构的利器。
 
除了通用粉末衍射仪,散裂中子源一期建成的谱仪还有小角散射仪和多功能反射仪。2018年首次正式对用户开放以来,散裂中子源已完成40项用户课题,涵盖超导材料、新型储氢材料等多个领域的研究。
 
重用户体验 做好“翻译官”
 
目前,散裂中子源的第二轮开放运行已经启动,计划在2019年上半年安排20余个用户开展实验。建设一台装置,源源不断地产生“听话”的中子,其实是一件非常困难的事情。除了中国,目前世界上拥有中子源装置的只有英国、美国和日本。
 
而这样的大科学装置,如果没有合适的用户来使用,其价值也不能充分发挥出来。
 
“好钢要用在刀刃上”,中科院高能物理所研究员、散裂中子源数据分析系统负责人张俊荣表示。
 
为大科学装置培养用户也成了工作的一部分。最初,在与高校、研究机构交流的过程中,张俊荣与同事发现,许多用户不知道能用散裂中子源做什么。
 
介绍同领域研究者的实验经验、了解潜在用户的研究目标……经过一系列努力,散裂中子源的用户需求也逐渐增长起来。
 
在今年第二轮开放运行申请时,散裂中子源共收到76个课题项目。“与先前开放申请时接到的课题数量相比,增速非常快,而且大部分是国内用户,就像是见证一点弱小的火苗逐渐旺盛起来。”何伦华表示。
 
而面对来自不同领域的用户,张俊荣和同事会不断地遇到新问题,思考如何解决不同的研究需求。
 
有一回,来自超导材料领域的研究者发现通过中子源获得的实验数据与预期不一致,张俊荣等人排查后发现,是实验材料本身的特殊性质导致了数据异常,便根据样品特性做了专门处理。
 
这些“意料之外”,让装置得以进一步优化。
 
谈及散裂中子源的数据分析,张俊荣笑说:“我们就是做‘翻译’的”。
 
研究者想通过中子源获取实验数据,并不是直接将中子束打到样品上那么简单。测量出的数据其实非常原始,需要转化成有效数据后有选择性地提取。
 
对一些经验相对缺乏的“初级”用户来说,张俊荣等人还需要帮他们找出哪些数据需要提取、可为研究所用。
 
要想从“小白”变“资深”用户,张俊荣表示进步的诀窍是多多沟通:“懂得提取自己想要的数据,用户一定要知道散裂中子源的性能指标如何,能不能解决自己的问题。”
 
步履不停歇 再启新征程
 
如今散裂中子源能顺利投入使用,服务用户,其实是众多驻守一线的工作团队日日夜夜、加班加点拼出来的。
 
散裂中子源的工作原理是给质子加速,让其撞击金属钨靶,从而产生中子。但要实现这一目的,需要加速器、靶站、慢化器和谱仪等不同团队通力合作。只要有一环出了问题,其他团队的工作就无法进行。
 
2014年,加速器隧道基建延期,为了保证竣工日期不延后,工程经理部决定隧道修缮和通用设备的安装同时进行。
 
就在这个节骨眼儿,直线射频团队又发现从美国进口的4根速调管出现故障需要返回美国厂家维修。没有速调管,直线加速器就无法得到足够的微波功率,后续调试工作也无法进行。
 
为了保证工程整体竣工时间“后墙不倒”,接下来的三年半,直线射频团队顶住巨大压力,争时间抢进度,几乎成了园区里的“隐形人”——除了开会、吃饭,其他时间都待在直线设备楼里调设备、排故障。
 
团队负责人、中科院高能物理所研究员李健告诉记者,在高压设备反复调试的日子里,自己“血压习惯性地跟着电压飙升”,特别怕听见微信、手机响,一旦设备报警出现问题,即便是三更半夜,都要立刻赶往现场。工程项目一路走来,直线射频团队经历了努力-失败-再努力的过程,最终盼来了成功验收的一天。
 
    回想准备验收调试的那几年,确保散裂中子源顺利运行的责任压在了各个团队和课题组身上,通宵工作、联轴值班是家常便饭。
 
如今散裂中子源已经正式投入使用,这些科研人员的使命还在继续。
 
未来,散裂中子源二期建设开展,更多谱仪有望投入使用,中子源的打靶束流功率还要升级……这个“超级显微镜”的用途会越来越广泛,效率也会越来越高。
 
“我们不是建设完了就走了”,中科院高能物理研究所东莞分部副主任金大鹏表示,中国散裂中子源的使命是“筑巢引凤”,吸引粤港澳大湾区乃至全世界的用户来合作,为建设科创中心提供支撑。
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