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          【中國科學報】100份申請只有29份能過,這個裝置挺“卷”
          2022-08-22|文章來源: |【
           

            8月中旬,廣東東莞。天氣時晴時雨,空氣潮濕悶熱,郁郁蔥蔥的荔枝林里,我國迄今為止已建成的、單項投資規模最大的大科學工程——中國散裂中子源正在進行暑期停機檢修。

            2018年8月23日,中國散裂中子源項目通過國家驗收,正式投入運行。從那時起,這片昔日的荔枝林里,人氣就起來了。這里的年均公眾參觀訪問量超1萬人次,最火爆的一次線下科普活動中,科研人員半天里就接待了6000人次,前來參觀的小汽車一直從中國散裂中子源的大門口排到高速路口。不僅如此,科學界和產業界對中國散裂中子源機時的競爭也很激烈,項目申請書逐年成倍增加,以至于每100份申請書中,只有29份能成功。

            這臺已運行4年的大裝置為何如此“火爆”?趁著停機檢修,《中國科學報》記者深入實地一探究竟。

            紅的、綠的、藍的、黃的……

            好看:五彩斑斕的“黑科技”

            每年,中國散裂中子源都會放“暑假”,停機時間長達一個半月到兩個月,這段時間,科研人員要給裝置做“保養”。

            中國散裂中子源是由國家發改委立項支持建設的國家重大科技基礎設施,法人單位是中國科學院高能物理研究所。這個裝置讓中國成為繼英國、美國、日本后世界第四個擁有脈沖散裂中子源的國家。

            散裂中子源常被比作“超級顯微鏡”,因為它能夠用加速器加速質子打到靶上產生的中子,來探索物質微觀結構。

            它的源頭——加速器系統,像臥龍一般,藏在地下。

            地下17米,空調和新風系統讓原本濕熱的空氣變得干爽。沿著亮綠色走道向前,人們能看見一個五彩斑斕的“黑科技”世界。

            黃色的是可以讓粒子“飛奔”起來的漂移管直線加速器系統,藍色的是可以把粒子聚成一束的四極磁鐵,紅色的是可以讓粒子以15度角“拐彎”的二極磁鐵……

            它們先是串成一條長串,之后又圍出一個大環。長串部位是直線加速器,環形部位是快循環同步加速器??此讫嫶蟊恐氐难b備,安裝精度要達到10微米到百微米級別,使得自然界微小的物質-質子,能夠按要求得到控制并加速。

            一旦運行起來,每1秒鐘,快循環加速器會像旅游大巴一樣“接待”25波等待加速的負氫離子。每波負氫離子“上車”后,會轉換為質子,并在0.02秒里沿著快循環同步加速器跑約20000圈,直到速度達到0.92倍光速。

            接著,接近光速的質子束像“微型子彈”一樣,沖向重金屬靶,金屬靶的原子核被撞“碎”,科學家又用特殊裝置把“碎片”里不帶電的中子降速后,引入一臺臺譜儀中。

            譜儀位于離加速器隧道不遠的地方,同樣五彩斑斕。

            中國散裂中子源一期共建了3臺譜儀,分別是有著綠色外殼的通用粉末衍射儀、小角中子散射儀,以及有著藍色外殼的多功能反射儀。

            4年來,中國散裂中子源還與粵港澳大灣區高校、研究機構等合作建設了若干條譜儀,以滿足全國及地方研究機構和企業的需求。

            紅的、綠的、藍的、黃的……以靶站為中心,已經建成和正在建設的譜儀向四面伸展,讓中國散裂中子源看起來像一朵綻放的七色花。

            “我們的設備國產化率達到90%以上?!鄙⒘阎凶釉纯茖W中心主任、中國科學院高能物理研究所副所長陳延偉告訴《中國科學報》,全國近百家合作單位完成了裝置各項設備的研制與批量生產,許多設備達到國際領先或先進水平。

            5000、97%、800、122%……

            好用:超級顯微鏡的“超能力”

            在中國散裂中子源,科研人員喜歡用數字說話。

            最讓他們自豪的一個數字是“5000”。在這里,時間不按年、月、日算,而是按小時算?!拔覀兠磕甏虬刑峁┲凶邮鞯臅r間在5000個小時?!标愌觽フf。

            5000小時,意味著一年8700多小時里,中國散裂中子源大部分時間都在產生中子,開展實驗?!皣H上的其他三臺散裂中子源,英國、日本每年的中子束流時間一般都在4000小時左右?!标愌觽フf。

            另一個讓他們自豪的數字是“97%”?!?020年到2021年,我們的實際運行效率超過了97%,這是全球其他散裂中子源都無法達到的效率?!鄙⒘阎凶釉纯茖W中心副主任、中國科學院高能物理研究所研究員王生說,實際運行效率是散裂中子源實際運行時間與計劃運行時間的比值。數字越高,說明散裂中子源故障率越低,按計劃運行的穩定性更好。

            在描述中國散裂中子源的運行成效時,他們則喜歡用課題的數量來說明?!?年,中國散裂中子源開放運行8輪,共完成800余項課題,重點支持國家重大需求項目的機時?!标愌觽フf。

            面向國家重大需求,他們完成了航空航天發動機葉片應力測試,對“奮斗者”號焊接工藝進行驗證……

            面向世界科技前沿,他們開展了超級鋼、分子篩吸附劑、量子材料等研究。

            面向經濟主戰場,他們在高性能芯片、電池、材料、應力檢測等領域,為鋼鐵研究總院、國電電力發展股份有限公司、中國石油天然氣集團有限公司等高技術企業和研究機構提供了重要支撐。

            面向人民生命健康,他們在2020年8月成功研制出我國首臺具有完全知識產權的硼中子俘獲治療實驗裝置,并于今年7月底在東莞市人民醫院開始安裝。

            好的數據和成果,使用戶像滾雪球一般激增。陳延偉介紹,目前,注冊用戶已超過3800人,2021至2022年度申請課題數同比增長了122%,課題申請的通過率為29%。

            提功率、優性能、加終端、做交叉……

            好謀:未來的“小目標”

            日漸激增的機時申請和正在加劇的科技戰,讓中國散裂中子源的“升級”成為現實需求。

            早在工程設計之初,科研人員就為裝置升級預留了空間。正因如此,未來可以直接在一期工程的基礎上升級改造。

            陳延偉介紹,目前,中國散裂中子源已經完成一期的全部設計指標。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;2022年2月,打靶束流功率達到125千瓦,超過設計指標25%,并且實現了穩定高效運行,大幅度地提高了裝置性能。

            提升打靶束流功率,會使裝置在同等時間里生產出更多中子,進而使實驗時間縮短,樣品分辨率提高?!熬秃帽劝滋旃饩€強時拍照,曝光時間會比晚上拍照時短,而且拍出來的照片也會更清晰?!标愌觽ソ忉?。

            科研人員對未來的“小目標”之一,就是將打靶束流功率提升到500千瓦,讓中子源變得更“亮”。

            此外,散裂中子源科學中心副主任梁天驕介紹,中國散裂中子源升級改造后,有望覆蓋用戶需求的絕大部分領域,滿足更多尺度結構和動力學表征,為多學科交叉研究提供更有力的支撐。

            如今,趁著暑期停機檢修,這里的科研人員正在為即將安裝的新譜儀和實驗終端做前期準備。對于該裝置未來的進展,《中國科學報》還將持續關注。

             

            中國散裂中子源加速器局部  李子鋒攝

             

            王生向記者介紹直線加速器工作原理。倪思潔攝

             

            藍色的四級磁鐵  倪思潔攝

             

            紅色的二級磁鐵  倪思潔攝

             

            中國散裂中子源部分線站與實驗終端  李子鋒攝

          引自中國科學報2022.8.14版 原地址:https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/8/484308.shtm


           
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