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【中国科学报】运行半载,散裂中子源交出成绩单

2019-03-15 10:10     来源:中国科学报 + AA -

  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

  散裂中子源建成后,很快就有了第一篇论文成果。

  来自北京大学的研究者与散裂中子源通用粉末衍射仪(GPPD)团队合作,利用中子在晶体物质中的衍射效应,对一种含有镍、锰、钴3种过渡金属的锂电池正极材料进行了精确结构分析,确定了其中一种普遍存在的影响充放电性能的结构缺陷。相关成果发表于期刊《纳米能源》。

  “我们其实是末端设备”,中科院物理所研究员、通用粉末衍射仪系统负责人何伦华告诉《中国科学报》。带领组员最先作出成果的她,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。”

  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”。“用户反馈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,使得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项用户课题实验,涵盖超导材料、新型储氢材料等多个领域。

  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,自然也不能发挥出真正的价值。

  “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。

  起初,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。为大科学装置培养用户也成了他们工作的一部分。

  介绍同领域研究者的实验经验、了解潜在用户的研究目标……一系列努力后,向散裂中子源申请实验机时的用户渐渐多了起来。

  今年开放第二轮运行申请后,散裂中子源累计收到76个课题项目。“之前一点点弱小的火苗变得旺盛了。”何伦华表示,“跟上一回接到的课题数量比,增速很快,而且大部分是国内用户。”

  用户变多了,张俊荣和同事遇到的新问题也多了。

  有一回,一位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数据异常,便根据样品特性作了专门处理。

  这些“意料之外”,让散裂中子源与用户需求磨合得更好。

  谈及实验数据分析,张俊荣笑说:“我们就是做‘翻译’的。”他表示,研究者想获取实验数据,并不是直接将中子束打到样品上那么简单。一手数据其实很原始,要转化成有效数据后有选择性地提取。

  对一些经验较缺乏的用户来说,数据分析系统的工作人员还要帮他们找出提取目标,为研究所用。

  张俊荣告诉《中国科学报》,用户要想从“小白”变“资深”,诀窍是多多沟通:“懂得提取怎样的数据,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

  如今散裂中子源能如期投入使用、服务用户,是众多留在一线的科研人员日夜值守、加班加点换来的。

  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。

  回想安装调试的那几年,确保散裂中子源顺利运行的责任压在了各个团队身上,科研人员通宵调试、过年加班是家常便饭。

  2014年,加速器隧道基建延期,为保证竣工日期不延后,工程经理部决定让隧道修缮和通用设备安装同时进行。

  就在这个当口,直线射频团队又发现从美国进口的4根速调管出现故障,需要送返美国厂家维修。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。

  为保证“后墙不倒”,接下来的3年半里,直线射频团队几乎成了园区里的“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“血压跟着电压走”,特别怕听见微信、手机响。一旦设备发出警报,即便三更半夜也要立刻赶往现场。努力和失败反反复复,他们最终盼来了成功验收的一天。

  散裂中子源正式投入使用后,这些科研人员的使命还要继续。

  未来,随着二期建设的开展,更多谱仪有望投入使用,中子源的打靶束流功率还要升级……这台“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”,未来还将吸引粤港澳大湾区乃至全世界的用户来合作,提供国际领先的研究平台。

  (原载于《中国科学报》 2019-03-15 第1版 要闻)

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