揭秘中國散裂中子源

【解說】從浩瀚的宇宙到微觀的粒子，人類從未停止過對物質(zhì)世界的探索。散裂中子源猶如一個“超級顯微鏡”，用中子當(dāng)“探針”，研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，所以散裂中子源素有“火眼金睛”之稱。2018年，“國之重器”中國散裂中子源在廣東建成，開啟了中國在探索物質(zhì)微觀世界的遼闊征程。

字幕 廣東省 東莞市

【解說】早晨7點鐘，散裂中子源園區(qū)建設(shè)辦辦公室主任周敏像往常一樣，走進(jìn)辦公室，開始一天的工作。面對美麗的園區(qū)，周敏不由會想到十年前這個地方還是一片僻靜的荔枝林。從一張圖紙，到拔地而起一座現(xiàn)代化園區(qū)，這里凝結(jié)了一代中國科研人的理想。

 

【同期】散裂中子源園區(qū)建設(shè)辦公室主任周敏

2007年年初，我們的分管所長找了我，要求我們來做這個散裂中子源，當(dāng)然他也給我們簡單地普及了下，就說散列中子源在我們國家是第一臺，世界上是第四個，我當(dāng)時覺得，哎呀，這是一個了不起的工程。

 

【解說】在中國散裂中子源建成之前，世界上只有英國、美國與日本三國擁有此技術(shù)。

 

【解說】中子源，顧名思義，產(chǎn)生中子的源，如同光源、水源?？蒲腥藛T把中子入射到所研究的物質(zhì)上，中子會與研究對象的原子核發(fā)生作用，通過這些散射開來的中子的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以了解物體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。

 

【同期】中科院高能物理研究所東莞分部副主任 王芳衛(wèi)

主要要解決的問題還是要來看物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，它就像我們平時大家接觸到的顯微鏡。

 

【同期】散裂中子源粉末衍射譜儀負(fù)責(zé)人何倫華

把中子比喻成一個小鋼珠，它發(fā)射出來以后去打到一棟十層樓高的高樓里面，那么我們通過中子就能探測這個樓里面，哪些地方是空的，哪些地方有承重墻，哪些地方鋼筋很密。通過去分析它反饋出來的軌跡，我們就可以得到這座高樓具體的這些信息。

 

【解說】中子源用于產(chǎn)生中子，中子是組成原子核的粒子之一，但中子并不好產(chǎn)生。首先將質(zhì)子加速到相當(dāng)于0.9倍光速速度，如同“子彈”般去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬靶，金屬靶的原子核會被撞擊出質(zhì)子和中子兩種粒子。把這些中子經(jīng)過慢化處理，再與試驗樣品的原子進(jìn)行碰撞，科學(xué)家通過中子和樣品的相互作用，來研究樣品的微觀結(jié)構(gòu)。在這個過程中，產(chǎn)生穩(wěn)定、高性能的中子尤為重要，但難度卻相當(dāng)大。

 

【解說】2011年9月，周敏從北京來到大朗，從北到南，幾乎跨越了整個中國。然而她一下飛機(jī)，就面臨著一塊最難啃的硬骨頭。由于散裂中子源裝置體積龐大、具有輻射防護(hù)要求，需要在地下18米開挖長600米的地下隧道，并且要求具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。這就意味著必須要充分論證滿足嚴(yán)苛的技術(shù)規(guī)范。

 

【同期】散裂中子源園區(qū)建設(shè)辦公室主任 周敏

目前是我遇到的難度最大的一個大科學(xué)裝置，首先它的有幾點要求是超規(guī)范的。比如說，對地面的不均勻沉降，我們整個隧道大概600米長的一個隧道，它每年的不均勻沉降要小于0.2毫米，超規(guī)范的東西，我們可能都要提前去把這些問題提出來，我們要去尋找一些專家、咨詢一些專家，召開評審會，這個里面我們也做了100多次的試驗，最后能夠滿足我們的實驗需求。 

 

【解說】對于基建技術(shù)的規(guī)格，周敏和整個團(tuán)隊一次次實現(xiàn)了突破，這讓她感到興奮。然而，周敏又遭遇了另一個始料未及的困境。雖然在選址之初，科學(xué)家們考慮到了大朗鎮(zhèn)具有穩(wěn)定、可承重的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，且東、西、南三面為丘陵，符合建設(shè)散裂中子源的要求，但是在實際工程動工之后，隧道出現(xiàn)了滲漏水的狀況，這對于科學(xué)實驗裝置是致命傷。

 

【同期】散裂中子源園區(qū)建設(shè)辦辦公室主任 周敏

我們整個隧道建在地下16米到19米這個深度，南方來說，地下水比較豐富，雨水比較多。我們這個實驗又不允許漏水，所以對防水是一個巨大的挑戰(zhàn)。這里面我們經(jīng)過很多的，本身對混凝土配比的研究，對室外的防水的措施做了很大的工作，最后能夠滿足我們的實驗需求。

 

【解說】散裂中子源裝置不僅可以不受地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害的影響，在輻射防護(hù)設(shè)計中，散裂中子源隧道屏蔽設(shè)計為厚度0 .5米至3米的混凝土不等，隧道入口采用迷宮結(jié)構(gòu)輻射防護(hù)門，把放射性元素的環(huán)境劑量控制在國家標(biāo)準(zhǔn)的十分之一以內(nèi)，遠(yuǎn)小于一次X光透視的劑量。

 

【解說】2018年3月25日，一條中國散裂中子源通過中科院組織的工藝鑒定和驗收的新聞引起了世界的關(guān)注。經(jīng)過十年余籌備規(guī)劃，300多名科研人員參與，耗時六年多，占地面積約402畝的中國的“火眼金睛”終于在幽香的荔枝園里“煉”成了。

 

【解說】從零到有，從有到精，凝聚了中國科研人員的辛苦付出和不懈奮斗。

 

【解說】2018年4月里的一天，散裂中子源粉末衍射譜儀負(fù)責(zé)人何倫華接到一個任務(wù)，利用新建好的中子源裝置研究鋰電池內(nèi)部材料的微觀狀態(tài)。這一天，她心情非常好，利用國際最先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)研究，對于任何一位科學(xué)家來說都是值得興奮的事。

 

【同期】散裂中子源粉末衍射譜儀負(fù)責(zé)人何倫華

電池我們拿到手上，我們會發(fā)現(xiàn)，用著用著它的電量就會越來越小了。那么我們可以去研究在這種情況下，是什么導(dǎo)致了它失效。它（鋰）對于我們通常用的X光是完全是透明的，我們看不到。但對中子來說，它的穿透性很強(qiáng)，所以利用中子衍射來說，來研究鋰電池是非常有優(yōu)勢的。

 

【解說】目前，散裂中子源技術(shù)在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域發(fā)揮著X射線無法替代的作用，并與同步輻射光源互為補(bǔ)充，成為基礎(chǔ)科學(xué)研究和新材料研發(fā)的最重要平臺之一。中子比光學(xué)顯微鏡觀察物質(zhì)更微觀，在檢測飛機(jī)高鐵安全性、確定航天器部件使用壽命、開發(fā)利用清潔能源的過程中都能夠大顯身手，而且全程無損。

 

【同期】中科院高能物理研究所東莞分部副主任 王芳衛(wèi)

車輪運行的過程中的話，中子散射就會看到，由于運行帶來的疲勞，使原子和原子之間距離的變化。你就會發(fā)現(xiàn)，如果原子與原子之間的距離被拉到一定程度的話，最后會在這個地方產(chǎn)生位移和開裂。用中子散射可以使用它提升它運行的可靠性和安全性。

 

【解說】從微觀粒子映射到惠及民眾的發(fā)明創(chuàng)造，中國散裂中子源的意義將在未來逐步展現(xiàn)。如散裂中子源一樣的大科學(xué)裝置，正成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)諸多領(lǐng)域取得突破的必要條件，同時也成為眾多高新技術(shù)的源泉和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的搖籃。