中子大科学平台助力国家科技发展

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楼主 2020-06-22 16:30:44
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我们要制造自己的大飞机、高铁、战舰,哪种材料最合适?哪种构型最安全?出现了问题是什么原因引起的?要研究解决这些问题,就必须要借助能揭示原子、分子运动状态的工具——中子散射技术,这也是截止目前能无损检测材料残余应力、直接观察材料磁通晶格的唯一工具。

三年前,由于条件的限制,我国的科研工作者要开展这方面的研究还只能到国外去做实验,这大大限制了我国航空航天、核工业等重大装备前沿研究领域的发展。2011年,固有安全性好、实验空间大的中国绵阳研究堆首次达到满功率运行,中物院核物理与化学研究所依托该反应堆建成了国内首台冷中子源,研制了国内首个投入科学研究和工程应用的中子科学平台,成为目前研究物质结构及其动力学最重要的工具之一如今,这一承载着老一辈科学家梦想的科学平台,运行情况如何?是否发挥了作用呢?

让我们看看这些数据:三年来,六台谱议带核总运行时间达到30609小时,其中对外开放时间8272小时。一般谱仪平台建设完成后需要有一年的调试期,为尽早满足国内用户和国家发展需求,平台采用边调试边运行的方式,共接待了100多家1000余人次国内外用户,产出SCI论文60篇,影响因子IF>3.0的文章18篇,最高达19.79。平台在高分子材料表征、含能材料研究,残余应力测试、界面测量表征等多个领域,已经可以底气十足的对用户说“我们测试过,没问题!”。

一、提升性能跻身国际舞台

作为衡量一个国家科技能力的标志之一,中子科学平台拥有6台谱仪,在建成初期,仅有一台谱仪的技术指标可以与国际同类先进水平相比,三年来在保证有效运行的基础上,不断对各谱仪进行升级改进,现在平台整体性能指标不断提高,两台谱仪已可跻身世界先进行列。

平台为满足多个领域在各种极端条件下开展研究的需求,研发制备了多种原位环境设备,可在持续变温、加压的条件下测试样品的变化情况。目前可实现1600度的高温、1.73K低温、15GPa压力、50KN加载力,还有测角仪、电磁铁、剪切流变仪等。国际上常用的原位环境设备平台都能提供。

二、崭露头角合作成果瞩目

目前中子科学平台已完成了大量的实验,而且很多都属于国内首次,在有机光电材料、高分子物理、可燃冰研究、国产发动机研制等重要研究领域都可以找到平台谱仪的身影。在高分子材料表征、含能材料研究,残余应力测试、界面测量表征等多个领域,都可以底气十足的对用户说我们测试过,没问题!。让我国的科研工作者在一些重大、前沿领域的研究不再受制于人。

主要用于材料内部纳米尺度结构研究的狻猊(中子小角散射谱仪),其影响实验时间、数据质量的关键指标——样品处注量率提升至107量级,决定谱仪可测量范围的最大Q值也提升到6.3nm-1,使得谱仪跻身世界先进中子小角散射谱仪行列。对含能材料的研究来说,定量微缺陷数据是损伤评估及性能分析的必要前提,而原来常规方法只能获得定性结论,平台的研究团队不仅在国内首次实现了PBX微缺陷的定量表征,并应用于HMX-PBX热损伤的原位研究,还在国际上首次发现和揭示了环境湿度影响奥克托今(HMX)相回复及微孔演化的机制,详细见《PhaseRetransformation and Void Evolution of Previously Heated HMX-BasedPlastic-Bonded Explosive in Wet Air》(The Journal of Physical Chemistry C)。

平台研究团队在有机光电功能材料这一国际热门研究领域引入中子散射技术,首次实现了通过中子的方式快速准确地观察材料分子的溶液聚集行为。提出的创造性想法和新颖技术,对于改进材料设计、加工工艺从而获得更高性能起到了巨大的促进作用。相关研究成果见Unravelingthe Solution-State Supramolecular Structures of Donor–Acceptor Polymers andtheir Influence on Solid-State Morphology and Charge- Transport PropertiesAdvanced Materials)上。这一成果迅速在光电材料和功能高分子领域内引起了巨大反响,引起了材料界的高度关注,国际专家给予了充分的肯定和好评。

可测量材料微观力学行为的“麒麟”(中子应力分析谱仪),各项指标一直在提升,整体性能一直保持世界先进水平,已在我国航空航天领域初显身手。研究团队具备了一整套完善的实验技术方法、数据处理、有限元拟合等方面的能力,在国内首次获得直径1100mm重达50Kg的发动机涡轮盘特定区域三维残余应力分布的准确数据,还先后多次完成了飞机发动机涡轮盘、叶片和飞机蒙皮内部残余应力的分析以及拟合。现在团队已具备了对不同形状尺寸单晶及多晶高温合金材料三维残余应力分布、错配度等进行测量、分析以及建模拟合的能力。

多用于晶体结构、相变测量的“凤凰”(高压中子衍射谱仪)样品处注量率提高近一个量级,达到106量级,高压样品信噪比由原来的1.7:1提高到5:1。已完成13Gpa的原位高压测试,属国内领先水平。搭建的高压低温水合物合成与表征实验系统满足对可燃冰研究非常苛刻的条件,获得的实验数据对了解水合物的性能具有重要意义,成为世界上少数具备可燃冰水合物研究条件的实验室之一。

用于研究物质表面或界面微观结构与特性的“谛听”(飞行时间极化中子反射谱仪)通过巧妙的设计改造,突破谱仪设计只适用固-气或固-固界面的局限,成功实现了固-液界面的测量,使谱仪拓展到固-液界面科学这一新的应用领域。“玄武”(高分辨中子衍射谱仪)可实现更高精度粉末或多晶样品的结构和磁结构的标定,“鲲鹏”(冷中子三轴谱仪)可在低能磁激发谱、低能声子色散、临街色散和相变等方面的研究发挥作用。

三、用好平台还需共同努力

随着中子科学平台的不断完善,我国探测微观世界的分析能力也将进一步提升。小到物质内部原子的排列和运动方式,大到工程部件内部结构与质量检测,平台都能发挥独特作用。既可用于前沿基础科学问题研究,又可促进航天、航空、核工业等国家重要领域工程问题的解决。

但认真分析平台的运行情况,也可以看到一些问题,虽然有部分谱仪和研究项目已经具备了国际竞争的能力,但整体水平还有待提高,在软实力方面,缺少能引领一个方向的“大牛”;以年轻人为主的团队,实验能力和数据分析能力还需学习和磨练;硬件方面,缺乏经验丰富的系统工程师,需要从零开始摸索积累,要做到所有谱仪指标进入世界前列还有不小的差距。

在我国首个投入运行的中子科学平台建成前,这种包含多个中子谱仪的科学平台只有国外少数国家具备,我国只有少数科研人员能申请到束流时间到国外做实验,因此较大占比的科研人员缺乏实战经验。同样的实验,在国外平台只提供谱仪和部分环境设备,其他全部都是用户自己完成,而在我国由于绝大多数用户甚至是从未接触过中子散射谱仪,因此从样品的制备、实验设计、到测试方案确定、数据分析,每一步都要平台人员参与,数据分析更是要依赖于平台人员来完成。

中子散射技术可在物理、化学、化工、生物和材料科学多个领域,特别是前沿交叉领域发挥重要,但我国很多领域的科技人员还不了解中子的特点和中子谱仪的作用。平台虽然已经建成运行有三年了,但国内知名度还不够,知道我国内也具备这方面能力的人还不够多;这些问题制约中子科学平台在我国科技领域发挥更大的作用。因此要用好平台,让我国更多的科技成果步入国际先进行列,还需要我们大家共同的努力。

 

编辑:薛飞彪  校对:苗婷婷  审核:何佳恒

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