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厉害了,中国人自己的散裂中子源 精选

已有 7120 次阅读 2017-11-5 08:45 |个人分类:科学评论|系统分类:科普集锦|关键词:中国 中子 量子 物理

厉害了,中国人自己的散裂中子源


【注】 本文受果壳网《科学人》栏目约稿,特地撰写的关于中子散射的科普文章。分两个部分:第一部分是关于中子散射和散裂中子源的科普,第二部分是国内外科学家对散裂中子源的评论。欢迎大家阅读,个人转发需注明出处,网媒转发务必找果壳网授权。



2017828105618秒,位于广东省东莞市大朗镇水平村的中国散裂中子源高能质子打靶,成功产生慢化器输出的第一束中子,标志着中国的中子散射研究跃上一个新的台阶,中国人从此拥有了自己的散裂中子源。中国散裂中子源(简称CSNS)作为中国目前在建的大科学工程设施之一,究竟对我们的科学研究有什么用?中子散射到底是怎么一回事?中国的中子散射研究经历过什么?科学家对咱的散裂中子源又有什么期待呢?

中子:一把自带指南针的“尺子”


人类对世界的认识,源自于对各种事物的度量。要“量”好一个对象,关键是选一把合适的“尺子”。例如姚明的身高,如果用一把最小刻度是1米的尺子量出来的结果就是2米(多点儿);如果用最小刻度1厘米的尺子,量出来就是226厘米;如果用最小刻度是1微米的尺子,量出来也许就是2263158微米,或者说2.263158米。很明显,人们更容易接受226厘米这个说法,因为人眼对身高的辨识度就停留在厘米量级,所以对身高而言,厘米尺子就足够好用了。类似地,如果我们要去度量微观世界,该用一把什么样的“尺子”呢?

量子物理学告诉我们,万物皆有波动性,特别是在微观世界中,粒子也可以当成不同性质的波。这些波的波长与粒子的质量和能量有关。如果把这些波和对应的粒子当做微观世界的“尺子”的话,那么基本上,它们的波长就是能够测量的最小刻度。


细胞的尺寸在亚毫米到微米量级。观测细胞一般用光学显微镜,因为可见光的波长通常是在380-780纳米左右,属于亚微米量级。


细胞内分子的尺寸在纳米量级。如果要看到细胞核内DNA分子的结构,那就需要借助更短波长的X射线来帮忙。X射线波长在0.001纳米到10纳米之间,它不仅能“看”到原子的排布,还能“感受”到原子的相互作用力,是认识物质微观结构的利器。

电子的波长在0.1纳米左右,同样可以用来度量原子及其排布。包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜等,可以借助“扫描”、“透射”、“触摸”等方式来感知原子的存在。但是因为电子带电,想用这把“尺子”,就要求材料本身导电,或者非常之薄才行。


中子也是一种微观粒子,但它和电子、电磁波都不一样。中子不带电(内部三个夸克的分数电荷正好中和),波长也可以和原子直径相当。更独特的是,中子还具有磁矩,也就像一个小小的“指南针”。如此特殊的“尺子”,必然相对于可见光、X射线、电子等,会有它独到的用武之地。

2 X射线、电子和中子衍射 (来自https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_crystallography;

http://fepul.com/diffraction-pattern-electron/)

中子散射:看原子/自旋在跳舞

当一束中子打到样品上面,会遭遇样品中由原子织成的一张张大网,一些中子会穿透网眼而过。另一些中子则会与网格上的原子核发生相互作用,这个过程就叫做中子散射。通过测量中子入射和出射前后的变化,就可以量出原子核的相对位置,甚至它们的热振动行为。换句话说,中子散射可以精确地告诉我们原子核在哪里和做什么。。

对原子而言,它的磁矩主要是由电子的自旋排布不均造成(电子也如一个个小磁针)。物体宏观的磁性正是由原子磁矩有序排列造成的结果。例如铁的磁性,就是原子磁矩排列完全一致的结果。原子磁矩/电子自旋也会对中子造成散射,叫做自旋散射。通过测量自旋散射对中子的影响,科学家就能够了解材料内部磁性的微观结构,以及结构之间复杂的相互作用。换句话说,中子散射也可以精确地告诉我们原子磁矩(电子自旋)在哪里、做什么。

因此,中子散射能告诉我们原子/自旋是如何组队的,又是如何在“跳舞”的,甚至辨识出“舞蹈的音乐”是怎么样的。拥有如此强大的能力,不愧是一把好尺!


3 中子散射的基本原理(作者取自http://sott.net/en2023850)

相比于另外一种大家熟知的微观“尺子”——X射线来说,中子有优点,也有缺点。

X射线散射主要是原子中的电子造成的。原子内部电子数目越多,造成的散射就越强。因此,X射线对原子序数小、电子数目少的原子极其不敏感。例如氢原子就很难用X射线来探测。然而中子不仅对氢这样的小原子很敏感,而且对它们不同的同位素原子的散射还具有强烈的选择性。比如氢原子对中子的散射非常强,但是氢的同位素氘原子对中子的散射就要小得多。所以,中子散射不仅能轻易地分辨出生物大分子里的氢原子,还能精细地分辨出这些氢原子的同位素组成。当然,某些原子的同位素对中子存在极其强烈的吸收,这也会给中子散射带来许多困难。

产生X射线的方法相对简单,所以在小型实验室和医院就可以实现X射线的衍射和拍片等工作。对于高能量的X射线,需要依赖于大型的同步辐射光源来实现。由于X射线的准直性很好,容易聚焦,获得的光通量密度非常高,所以不需要很大尺寸的样品。但是因为X射线的穿透能力不如中子,所以更多的时候,只能对样品表面附近进行测量。

相比较而言,产生中子的方法比较麻烦,而且准直性差,聚焦困难,导致通量很低,但是中子的穿透能力很强,所以用中子测量时一般要求大尺寸的样品,实现的是对样品的宏观体测量。

另外,X射线的能量较高,因此对材料中低能的非弹性散射并不是很敏感,测量精度比较差。中子的能量可以被调整到可以与材料中的低频原子相互作用的能量量级,是很好的非弹性散射测量手段,特别是对材料的自旋动力学测量有着不可替代的作用。近年来,非弹性X射线散射的发展迅猛,而中子散射的技术提升要慢得多,这主要是受到了中子源发展和中子谱仪设计的各种限制。


4  弹性中子散射测量材料中原子排列方式(来自英国ISIS散裂中子源https://www.isis.stfc.ac.uk)

散裂中子源:脉冲中子产生工厂

中子存在于原子核之中,要想获得中子,就必须让它从原子核里面跑出来。利用天然放射性衰变产生的α粒子与铍等反应就可以产生中子,然而用这种方法获得中子的数量十分稀少,几乎无法用于中子散射的研究。常用的产生中子的方法有两种:核反应堆中子源和散裂中子源。

核反应堆中子源主要就是利用铀元素裂变的链式反应,但是和核电站的反应堆不同,反应堆中子源更主要的目的是释放尽可能多的中子,而且要将其慢化到足够的低的能量——因为链式反应产生的中子都是MeV量级的快中子,而中子散射需要的是meV量级的热中子或冷中子。用重水浸泡反应堆芯,就可以让反应堆产生的中子在不断和氢原子碰撞的过程中逐渐减速,最终提高meV量级的中子数目。但即便如此,核反应堆产生的绝大部分中子也是被浪费掉了。核反应堆具有高辐射性,需要很严格的辐射屏蔽,产生的中子也是连续不断的,无法控制。而且反应堆本身的安全也十分敏感,大都需要军事化管理。这些都对中子散射实验带来不少困难。

散裂中子源是目前发展较快的新型中子源,其原理就是把质子加速到GeV量级后,去打用钨、汞等重金属(含中子数目多)做成的靶子。质子把金属靶里的原子核打碎,原子核在退激时蒸发/裂变过程产生MeV量级的中子,在慢化器中进一步慢化到1 eV以下,再输出到谱仪。因为质子是脉冲式的,所以产生的中子也是具有脉冲时间特征。利用高速旋转的斩波器,可以把中子分割成一段段的脉冲。只要测量中子飞行的时间,就可以准确计算出中子的能量。再根据中子散射的角度,就可以计算出中子的动量改变。两者结合就知道了中子在材料中散射过程受到的何种相互作用及其强度分布。

散裂中子源产生的中子能谱偏硬,对辐射屏蔽的要求也很高,但只要辐射屏蔽做好,在实验大厅的辐射几乎和自然界相当。相对反应堆源来说,散裂中子源可以利用宽波段的中子,中子能量可以跨越数个数量级。提高质子加速器的功率和优化靶站设计,就可以提高散裂中子源的束流强度,而其脉冲特性有利于控制和测量。

目前仅有美国、日本和英国建有脉冲式散裂中子源。中国散裂中子源建成后,功率将和英国散裂中子源相当,跻身世界上少数几个散裂中子源科学平台。欧洲目前也正在瑞典建设欧洲散裂中子源,且具有很高的束流强度和先进的谱仪设计。

在未来20年内,50年代建设的欧美反应堆中子源大都面临关闭停堆,散裂中子源无疑是未来中子散射平台的最佳选择。


5 散裂中子源模型(来自英国ISIS散裂中子源 (作者拍摄)

中子谱仪:度量微观世界的神器

有了中子源,就相当于有了灶台,但这还不足以做出一盘佳肴。我们还需要高品质的锅(中子谱仪)、好手艺的大厨(谱仪科学家和科学研究人员)和精致的食材(样品环境和高质量样品)。针对不同的测量需求,有着不同种类的中子谱仪。

1942年,费米利用天然辐射的中子演示了中子散射可能用于固体材料结构的研究,就像X射线衍射一样。1943年,第一个核反应堆中子源在美国建成,标志着中子散射技术的开始。在美国科学家E. WollanC.Shull的努力下,第一台用于单晶衍射的弹性中子散射两轴谱仪建成,并成功获得了NaCl的晶体衍射图。后来,N. Brockhouse等改进谱仪为三轴谱仪,进一步可以测量中子的非弹性散射。ShullBrockhouse因为中子散射的先驱工作为此获得1994年诺贝尔物理学奖。他们和他们的学生也培养了许多现在从事中子散射研究的科学家。

由于中子具有强烈的穿透性,某些材料(如铝)对中子而言几乎是透明的。因此可以在测量样品上加载各种样品环境,例如低温、高压、磁场、电场、应力等等,由此观测样品在各种环境下的物理性质。

中子粉末衍射谱仪和单晶衍射谱仪基本和X射线衍射谱仪一样,可以用于测量晶体的微观结构,但它们还能测量材料的磁结构。同时,中子衍射也能准确地测量晶体可能存在的结构相变或磁性相变。特别是对于新材料而言,其晶体结构和磁结构能在粉末中子衍射下几乎一览无余。因此,中子衍射谱仪是材料探索和研究的一把利器。

中子三轴谱仪是最为灵活的谱仪,它能进行弹性中子散射和非弹性中子散射测量。通过选择入射中子和出射中子的能量和动量,就可以测量样品中对应的相互作用过程。特别是材料中的低能微观相互作用,对应着宏观上电、磁、热、力等性质,加以研究就能解释材料的物理本质。中子三轴谱仪是凝聚态物理研究的重量级工具之一。


6  非弹性中子散射测量自旋间相互作用(图片来源:英国ISIS散裂中子源 https://www.isis.stfc.ac.uk)

飞行时间斩波谱仪是中子三轴谱仪的大规模集成化升级版本,它除了充分利用脉冲中子时间特性来测量中子能量改变外,还集成了成千上万个中子探测器,一次性高密度地测量中子的散射分布,全面了解材料中的微观动力学行为。这类谱仪极大提高了中子散射实验的效率,是目前非弹性散射中子谱仪的发展方向。

小角散射谱仪对生物大分子、聚合物、纳米颗粒等具有得天独厚的敏感,是解析大分子结构的必用神器之一。

应力谱仪可以测量机械材料内部残余应力的分布,是机械工程制造和分析的超级显微镜。例如核反应堆外壳、航空发动机叶片、火箭推进装置部件等,其中的残余应力和疲劳损伤研究至关重要。

自旋回波谱仪有着不可思议的分辨率,它能以亚原子精度测量材料结构的细微变化,磁性物理的准弹性行为,以及其不同时间尺度上的动力学。

此外,中子背散射谱仪同样能够极高能量精度下研究材料中的准静态过程,中子反射谱仪可以用于薄膜材料形貌和表面结构的研究,中子照相仪可以无损伤地对材料进行拍照分析其内部结构。

一台台中子谱仪,都是度量微观世界的超级神器,带我们了解神奇莫测的物质世界。

【致谢】感谢中子散射方面多位中国及华人科学家对本文的修改和指导意见。


8  中子散射的多种应用(来自中国散裂中子源 http://csns.ihep.cas.cn/)


【又一篇】

从事中子散射的科学家们如何说

编者按

还记得前不久前那个刚刚“开眼”,让中国科学家摆脱束缚,不再需要依赖别人的“眼睛”来探索未知世界的中国散裂中子源吗?作为全世界目前仅有的4台脉冲式散裂中子源之一,中国散裂中子源的运行,为中国中子散射研究和应用提供了快速发展的契机。

2017111日至3日,中国物理学会中子散射专业委员会,会同中国工程物理研究院核物理与化学研究所、中国散裂中子源,和中国原子能科学研究院,在成都共同主办了第五届全国中子散射会议,暨国家中子源多学科应用研讨会-2017。承办及当地负责单位为中国工程物理研究院中子物理学重点实验室和四川大学高压科学技术实验室。正在会议期间,中国散裂中子源加速器、靶站、谱仪首次联合调试顺利完成。

科学人特地邀请中国科学院物理研究所副研究员罗会仟,采访了17位工作在中子散射科研一线的科学家,关于中国自己的散裂中子源,听听这些未来的用户们怎么说。

中国科学院物理研究所及中国散裂中子源  王芳卫  研究员

2017828日,经过10年的前期论证决策、关键技术攻关和6年的建设,中国散裂中子源(CSNS)迎来了一个重要里程牌——产生第一束脉冲中子。初步的测量结果显示,CSNS-慢化器-反射体(TMR)耦合效果很好,能高效输出中子散射所需的冷、热中子,表明整个装置的设计、设备制造、安装集成和调试是成功的。那一刻,我很激动,也很感慨。

2003年回国,一直从事CSNS相关工作,至今已15年,也是我科研生涯中黄金15年。从初期的谱仪选型、用户发动和培养,到靶站和谱仪的物理设计,直至今天协调管理中子靶站谱仪的设备制造、安装和调试,与各个单位的科研人员合作,克服了无数困难,终于取得阶段性的成果。


1994年,我师从章综院士开展稀土过渡金属间化合物的结构与磁性的研究,与中子散射研究结缘。章综院士是我国资深的晶体学和磁学专家,是我国第一代从事中子散射技术和应用研究的旗帜人物,也是1980年代中法合作在我国原子能研究院建造三台中子散射谱仪的中方负责人。中法合作期间,章综院士的团队要从微观上测量几种化合物的原子磁矩和磁有序及其随成分、温度的演化。尽管那时物理所在原子能院有一台由三轴谱仪改装的粉末衍射仪,但分辨率较低。无奈只好寻求国外实验室的帮助。在严启伟老师(中法中子合作项目的核心成员,负责建造三轴谱仪,获科学院科技进步三等奖)的帮助下,先后把样品寄给韩国、印尼和澳洲,采集好数据再传回国。获得一个粉末衍射谱,最快也要半年以上。实验机时十分有限,很多想做的也无法做到。那时就想,什么时候我国也象这些国家一样,拥有世界一流的中子散射设施就好了! 因为韩国、印尼、澳大利亚这些国家的整体实力和国际上的影响力都比我国小嘛。

新千年伊始,我正在法国LLB实验室从事中子散射研究,得知科学院建议建设基于强流质子加速器的散裂中子源,十分高兴,特例找实验室的秘书扫描当时的欧洲散裂中子源ESS设计报告发送回来。2003年回国后,全职投入中国散裂中子源设计和用户的发动及培养。


CSNS是国家大型的科技基础设施,投资较大,是一个国家的经济实力、工业水平和科研实力的综合体现。CSNS产生了第一束中子,但对于中子散射研究来说只是迈出了第一步。我们将争取在年底前,完成一期3台谱仪(通用粉末衍射仪、多功能反射仪和小角散射仪-谱仪)的调试,希望明年春天能接收用户实验。

自己在从事中子散射研究的过程中,做过用户,参与过具体的谱仪设计和设备制造,也从事过装置建设管理,体会到,想做好中子散射研究,必须具备3点:稳定的中子源和世界一流的中子散射谱仪;国际一流的中子散射用户队伍;一流的装置运维和用户服务。三者相互支撑,缺一不可。近期,希望有中子散射经验的用户准备好相关的首批实验课题,同CSNS一期三台谱仪科学家落实细致的实验方案,争取早出成果,出好成果,为建设更多的CSNS谱仪奠定基础。同时,也希望用户积极参与其他CSNS谱仪的规划,协助推广中子散射和用户培养。CSNS将在用户的全力支持和监督下,致力做好谱仪建设、装置运行升级及用户服务,同心协力,迅速把我国的中子散射技术和研究提升到国际一流水平。

从世界范围看,欧美等传统的中子散射研究强国,因反应堆中子源寿命到期,将大面积地关闭。未来30年,中子散射的重心也将转移到亚太地区。中国散裂中子源CSNS和我国两个反应堆中子源(原子能研究院反应堆CARR、工程物理研究院CMRR)都在新世纪建设并投入运行,因此,在不远的将来,我国将在中子散射领域迎来了引领全球的契机。


中国原子能科学研究院   刘蕴韬  研究员

2017828日,中国散裂中子源首次打靶成功,这标志着我国几十年来单纯以反应堆中子源为依托的中子散射技术格局发生了重大变化,终于拥有了以加速器为依托的具有时间结构的脉冲中子源!

在此激动人心的时刻,作为一名以中国先进研究堆中子源为依托,开展中子散射科学谱仪建设和应用推广的科研工作者,向多年来致力于我国散裂中子源建设和应用开发的各位同仁致以最崇高的敬意和最热烈的祝贺,感谢他们多年来为推动我国中子散射技术推广与应用所做出的不懈努力和无私奉献!

在此成功的基础上,我们有理由相信,本着对用户负责、为用户提供更好服务的态度和理念,散裂中子源和反应堆中子源的科研工作者将再接再厉,充分发挥各自优势,相互支撑、共同发展,为我国的中子散射的用户提供更为优质的支撑与服务,我国中子散射事业的明天将更美好!


中国原子能科学研究院   郝丽杰  研究员

作为一个工作于中子散射基层的谱仪负责人,能深深地体会到设备、工程建设的不易与艰辛。看似辉煌的成功背后,渗透着无数人的支撑、合作、细节与专注。无论是一台精密的谱仪,还是庞大的中子源,建设者们都经历了同样坚持不懈的隐忍与彻夜不眠的努力。没有一线工作者的默默付出,难以看到今天中国散裂源、中国先进研究堆、中国绵阳堆的绚丽绽放。向所有源和谱仪的建设者表示由衷的敬意。

中国散裂源的建设者从祖国的四面八方,甚至海外而来,为了同一个目标,克服了基础、技术、人员等诸多困难和挑战,愚公移山,开疆拓土,打造国际先进的中子科学园区。第一次打靶成功无疑是对整个中国中子散射工作者十年来默默努力的精彩献礼,也是一颗强有力的助推剂。从此,中国将以全面的研究手段崛起于世界中子散射的舞台。

十年磨一剑,厉害了,咱的散裂源!

厉害了,咱的中子散射!

厉害了,咱的中国!

中国工程物理研究院中子物理学重点实验室  孙光爱  研究员

我们国内的中子散射经历了相对曲折和不易的发展历程。据我所知,中国散裂中子源从预研、选址、立项,到后来的建设过程,都有诸多不顺。我们的反应堆中子平台建设过程也充满艰辛。相比世界发达国家而言,国内目前的中子技术积累、用户群体数量和科学技术水平等依然较为薄弱,距离形成国际领先的系统优势和重大突破我们仍有很大提升空间。但最重要的是,中国散裂中子源首次打靶成功,对国际中子界也是一个标志性事件。从建设的低成本、高速度,到技术突破上都会得到国际同行的尊重,极大地振奋和提升了中子科研群体的信心。我很自豪。

目前我们绵阳研究堆(CMRR)中子科学平台也已经正式运行。一个不怕困难,坚韧不拔,努力拼搏的科研群体正在形成,我国在这个领域已经进入发展的快车道,处于十分宝贵的机遇期。

散裂中子源,作为国家科技创新能力的一种标志,放眼世界风景,这边独好!

中国工程物理研究院研究生院  储祥蔷  “青年千人”研究员

在这个激动人心的日子,很想说点什么。想对大家说:看,知道我为什么宁可放弃美国的终身职位和高薪豪宅,一定要回来了吧?正如前两天很火的那个帖子所说,旁观者和亲历者,感受是很不一样的。祖国越来越强大,时刻在召唤着我们回来。

这是一个属于我们的时代,大国重器的时代。我十二年前进入中子界的第一次会议,就是中国散裂源的筹建会议。那时候它还不叫CSNS,而是BSNSB是北京。十二年过去了,历经各种变迁,地址也从北京到了东莞,不变的是大家的初心与共同的目标。当年还在美国散裂中子源的时候就听说中国散裂源会在2018年投入使用。这几年来一直心心念念。不久前听陈和生院士的报告,说很快就要出束,还在感慨。没想到这一天这么快就来了!

欢迎大家和我一起投身到这个正在火热发展的领域中去。我做科研的理念一直都是,不要盲目跟别人的风,而是要让别人来跟你的风。能把一个冷门的领域做成热门,才是你的本事。现在随着散裂源的建成,国家一定非常需要中子散射相关的人才,而我的回归,就是想为国家培养这方面的人才贡献一份微薄的力量。现在正是一个最好的时代,真心相信我们在这个领域会做到世界最强!

中山大学物理学院  王猛  教授、珠江学者

散裂中子源不需要核燃料,通过加速质子轰击重金属靶产生高强度脉冲中子,在科学研究、工程应用等众多领域有非常广泛且独特的作用。但是由于建设技术难度高,工程耗资大,之前,在世界范围内仅有英国、美国、日本建有脉冲式散裂中子源。得益于我国科技人员长期不断的努力,国家科技、经济水平高速发展。在国家部委和中国科学院,以及广东省、东莞市政府的大力支持下,2017828日,中国散裂中子源打靶成功,产生第一束中子。这是一个让科研工作者激动的日子,也是一个可以写进中国科学发展史的日子。

这一天对于从事中子散射研究的人员更为珍贵。我从博士期间开始学习中子散射实验技术,虽然有长时间在国外交流学习、工作的经历,也得到过国际上很多中子散射专家的指导,但是依然无法忘记申请实验机时的艰难、国际旅途的劳累,以及准备各种繁琐的签证申请材料和等待的煎熬。

2016年底,我入职中山大学物理学院,参与推动中山大学在中国散裂中子源建设谱仪,深感机会难得和责任重大。但同时,我也为参与散裂中子源建设人员取得的成绩感到骄傲和自豪!可以预见,未来几年随着更多不同功能谱仪的建设完成,更多的人员有机会在中国利用中子开展研究工作。中国散裂中子源的建设完成和成功运行将对众多领域的研究产生深远影响,希望这一天早日到来!

复旦大学物理系  赵俊  “青年千人”教授

中国第一个散裂中子源出光,非常振奋人心的消息!希望在这个大科学平台的带动下,吸引更多的年轻人加入到中子散射研究领域来。当然,源的完成只是万里长征走完了一半,建设有特色的先进谱仪也非常重要,仍然需要国家的持续投入和一线工作人员的不懈努力。

上海交通大学物理与天文学院  马杰  “青年千人”教授

热烈祝贺中国散列中子源发光成功,感谢国家的支持与中子源工作人员的辛勤劳动。其实中子散射并没有什么神秘且高不可攀的,并不是锁在科学魔塔里的屠龙之技。作为一种表征物性的手段,中子散射只是对磁性、晶体结构,和动力学的测量有其独到之处。中国散裂中子源作为世界上的第四个散裂源,可以吸取之前英国、美国和日本散裂源建设过程中的经验和教训,做出自己的特色工作,比如,科学研究与谱仪建设同时进行,两手并重。

上海交通大学物理与天文学院  洪亮  “青年千人”教授

中子散射的好处是:它与材料的原子核相互作用,直接测量密度在空间和时间上的涨落。因此得到的实验信号无需过多近似,直接就是振动态密度。其实这不仅仅是中子相对光散射的优势,很多动力学谱仪(核磁共振,介电谱,荧光谱,红外谱等等)都要做一定的近似或假设才能得到材料中原子或分子的动力学过程,而中子散射的实验数据不需要这些近似处理。因此从某种程度上说中子散射得到的动力学数据最可靠。

我博士后期间主要运用中子散射研究生物大分子的动力学及功能。虽然X射线在测定生物大分子三维结构上居功至伟,但对研究这些动力学过程不仅无能为力,还容易由于束流过强破坏生物样品。中子束流比较弱,不会破坏生物样品。冷中子的能量在几个毫电子伏特,这与生物分子热运动的能级接近,这使得中子能够很容易测量生物大分子中的各种运动。通过使用不同的中子谱仪,人们可以测量生物大分子在飞秒到微秒时间内各种运动。另外,中子散射不仅能给出分子运动的时间信息,也能刻画其空间特征。这也是一个有别于众多动力学实验方法的巨大优点。最后,中子对氢原子特别敏感。通过氢/氘互换,人们可以选择生物大分子中特定的区域来原位研究其结构及动力学信息。目前,我们在上海交大的实验室已经能自主生产高质量符合中子散射要求的全氘化蛋白,成为全世界掌握此技术的屈指可数学术机构之一。

通过十年的中子生涯,我深刻体会到中子散射在研究生物大分子的优势与不足。优势在于动力学,在于氢/氘交换的原位标记,在于时空间同时刻画;劣势在于不能给出单分子信息,在于倒空间频域测量而非三维实空间,时域表征。因此生物大分子的中子散射实验结果往往需要和分子动力学计算机模拟相互配合和印证,才能获得比较可信的结论。这也是我们从过去到现在一直致力的方向。

回国快三年了,虽然我们取得了一些成果,但动力学中子散射实验全是在国外做的。多么希望中国有自己的冷中子源动力学谱仪,包括飞行时间谱仪、背散射谱仪,以及中子自旋回声谱仪。多么希望中国有自己的氘代用户实验室。这不仅仅适用于生物样品的研究,也适用于高分子等软物质材料的研究。

就在828号,我们中国自己的散裂中子源出光了,这是一件了不起的事情。感谢中子源的科学家的辛勤工作。我相信在不远的将来我以上的希望都会成为现实。

在此衷心祝愿

Long live neutron scattering!

Long live Chinese neutron scattering!

北京大学深圳研究生院  肖荫果  研究员

中国散裂中子源在2017828日这一天首次打靶成功并获得中子束流,这对于我国中子科学的发展具有里程碑式的重要意义。

这一天,也是我回国入职北大深研院的第一天。

作为一名从事中子科学研究的科研人员,我除了激动以外还特别有一种生逢其时的感觉。相信中国散裂中子源在迈出打靶成功这关键的一步之后,能够快速完成完善后续各类中子谱仪的建设,成为世界一流的大型中子散射多学科研究平台,进而促进我国在科学前沿领域实现新的突破。

香港城市大学物理系 王循理  讲座教授

衷心祝贺中国散裂中子源打靶成功,成为我国的第一个脉冲中子源,跻身世界四大脉冲中子源之一。回首我的职业生涯,都是与中子散射紧密相连的。

接触中子散射近三十载,伴随美国橡树林国家实验室散裂中子源成长,中子散射已成为我的生活方式和思维模式不可分割的一部分。自2001起,我就开始参与中国散裂中子源的推动工作,2012年促使我加盟香港城市大学重要的原因之一也是中国散裂中子源——希望通过自身的努力为中国散裂源做出一些贡献,见证并陪伴我国中子散射科学技术的一步步成长。

来到香港城市大学后,与中国散裂中子源总指挥陈和生院士一起组建了中国科学院-香港裘搓基金会中子散射技术联合实验室。同时,成功申办了首届中子散射高登研究会议(2015 Gordon Research Conference on NeutronScattering)。会议地址定在香港,毗邻中国散裂中子源,至今已经成功举办了两届,吸引了全世界中子散射领域顶尖科学家的参加,对促进我国中子散射发展具有重要意义!另外,承蒙于香港裘搓基金会的资助,每两年在香港城市大学举办高水平的中子散射暑期学校,聘请了世界顶级的中子散射专家授课,为我国中子散射培养人才。

最近,香港城市大学(?)还与中国散裂中子源和东莞理工大学一起,领导建设一台多物理全散射谱仪,结合自身的经验,设计并建造领先世界同类型的中子谱仪。

中国散裂中子源的成长,一直受到世界科学界的关注和帮助。2016年受《自然·材料学》期刊(Nature Materials)邀请,我与陈和生院士一起撰写了向全世界介绍中国散裂中子源的文章(“China's first pulsed neutron source”)。

今天中国散裂中子源首次打靶成功,产生中国的第一束脉冲中子,非常激动人心,也衷心感谢中国散裂中子源同行们为项目作出的巨大贡献,感谢他们为中国科学家和工程师界提供了一个世界级的平台。

最后,借本文预祝中国散裂中子源拥有广泛的用户群,做出许多人心的实验成果,同时期待在不久的未来能进一步成功升级。更重要的是,中国散裂中子源的第一束中子已经在孕育下一代更加强大的中子源,成为世界领袖!

澳门大学应用物理及材料工程研究所  李海峰  教授

2017828日,中国科学发展史,将会永载这一天。经过十七年的不懈努力与奋斗,中国散裂中子源首次打靶成功,获得中子束流。中国成为继英国、美国、日本后,第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。这为中国及其他国家的材料科学、物理、化学、新能源等学科的科研工作者,又提供了一个大展拳脚的世界级重大科研平台,必将推动中国科研事业迈向新的台阶,开启中国科学发展史的新篇章!

2005年,我在德国于利希研究中心,第一次接触到中子反应堆和中子散射,并利用当时的SV7中子粉末衍射谱仪做凝聚态材料物理方面的科学研究。2009年,在美国橡树岭国家实验室,我第一次接触到脉冲散裂中子源,并利用ARCSSEQUOIA等仪器做有关铁砷超导体的高端实验。在中子研究领域,非常感激我最初的两个领路人,Prof.ThomasBrueckel Dr.DavidVaknin。我的博士生导师Prof.Brueckel对中国中子散射事业的发展,更是做出了杰出的贡献。

第一次接触中子仪器及相应的分析软件,有一种望而生畏的胆怯:太复杂了!我把这归因于自己在计算机编程方面先天性的不足。在Prof.Brueckel的督导下,从开始自学FullProf软件,反复研读139页说明书,到熟练掌握,自己承受的压力,终生不忘,成长的蜕变,终身受益。Dr.Vaknin提到要用Latex来书写文稿,从零基础开始到一周后我的第一篇Latex文稿出炉,那种登高望远的感觉,无以言表。

有了这样的历练,后来的中子实验及相应数据的分析,游刃有余。如今,我会尽我所能,言传身教,让更多的学生喜欢上中子散射,毕竟它是深度表征材料原子尺度结构不可或缺的一种技术,尤其是对于磁性和含有轻元素(电子以及X射线散射对轻元素不敏感)的能源材料。

近年来,随着中国经济建设的突飞猛进,政府对科研经费的投入持续增长。中国的科学家们也不负众望,喜报频传。中国散裂中子源2018年春天将向用户开放,令人欢欣鼓舞,振奋人心。这离不开散裂中子源所有科学家和技术人员的辛勤付出和无私奉献。他们书写了光辉灿烂的丰功伟绩。

中国散裂中子源为中国中子散射事业的发展,搭建了世界级重大研究平台。然而,在后续中子仪器的发展及相应分析软件的开发方面,我们还有很长的路要走。喜闻中国散裂中子源后续要上马μSR,真是如虎添翼!如果能够把同步辐射也纳入计划范围,以东莞散裂中子源为中心的世界级科学城将名副其实,更加完美!

真心期待,两岸四地,莘莘学子,群策群力,为把散裂中子源真正建设成为世界级的科研及高新科技产品开发中心,贡献自己应有的力量。澳门大学具有地域上的优势,会与位于东莞的国家散裂中子源中心建立了深层次的合作关系,使澳门大学的中子散射材料物理研究如虎添翼。

德国于利希研究中心  苏夷希  研究员

首先,热烈祝贺中国散裂中子源第一次成功产生中子束流,也祝贺中国中子散射界参与建设的同行和朋友们!我们于利希研究中心很早就参与到中国中子科学和中子谱仪发展和建设,在十多年前就通过合作,帮助中国原子能院在CARR堆引入并协助建造了两台中子谱仪。本人亲历了中德中子散射界在过去十几年的良好合作,也见证了中国中子散射近几年的快速发展。我相信散裂源的建成,再加上房山和绵阳反应堆,中国中子散射发展的前景非常光明。

澳大利亚中子散射中心  于德洪  谱仪科学家

得知中国散裂中子源首次出束,非常兴奋!这表明中子散射在中国又上升了一个平台。中国的散裂源加上两个反应堆源必定将中国的中子散射推到世界前沿。

美国国家标准技术研究所  黄清镇  谱仪科学家

中国中子散裂源的诞生是中国社会、经济、工业和科学发展的必然,也是天时,地利,人和促成产物。它将协同国内两个反应堆中子源与同步辐射,互补构成一个科学研究的大平台。

随着经济和科学的发展,对于应用中子的研究手段的需要与日剧增,但由于近些年来中国的中子源以及配套的研究设备都刚刚起步,大部分的研究都只能通过国际合作进行。通过Web of Science在“NeutronChina”关键词下检索到,在过去10年(2007-2016)里,从2007年的487篇到2016年的1117篇,有中国研究者和单位参与所发表的研究论文有7722篇;被引用高达88474次——从2007年的173次猛增到2016年的16087次。

相信在不远的将来,我们会用中国的中子研究平台作出更好的成绩,来报答人民的支持,来感谢平台工程科学家和技术人员的努力,来促进各界人士的大力支持。作为用户,我认为:用中国中子平台开展研究工作是促使平台的完善和发展的最大支持之一。

美国橡树岭国家实验室  叶锋  谱仪科学家

作为在国外散裂中子源工作的科研人员,为中国自己的散裂中子源首次出束感到骄傲。

1999年开始利用基于反应堆的中子散射完成博士论文至今,我基本上使用过北美各个国家实验室的中子设备。让我感触较深的,就是多年的运行使这些国家都有一套成熟的实验方案提交、评审和分配的机制。畅通的沟通可以保障用户需要的实验平台,样品环境(温度,磁场,压力等条件)得到充分优化。

2008年,在美国橡树岭国家实验室散裂中子源,我负责搭建对单晶衍射特别优化的谱仪。个人经验是,研究生阶段的科研人员更注重实验体验而不是谱仪的具体结构和设计细节。散裂中子源这样的国家大科学系统工程,需要很强的团队合作精神,也需要和国际同行多进行学术交流,互通有无,共享经验教训。这样可以小步快跑,少走弯路。CSNS在立项新谱仪的时候,除了充分采纳一线科研人员的实验经验,更是充分研究掌握已有的谱仪的技术特点,优化设计且具有5-10年的前瞻性,保证给将来的升级提供可能。

美国有数十年的中子科研经验。各大高校、科研单位都有相当成熟的用户群。即便如此,能源部、商业部下属的各个国家实验室,还从2000年起举办暑期夏令营,给中子散射圈补充新鲜血液。让人激动的是新一代的散裂中子源可以提供更高的束流强度,使得中子散射实验超越了材料,化学,物理等传统学科,进而拓展到生物,医学,软物质等领域。中国散裂中子源可以适时准备类似的夏令营,尽快建立起一个数目可观的用户群。

散裂中子源的数据是基于时间戳的,会产生海量的数据。橡树岭国家实验室运行十年下来用户遇到的常见问题就是尚未找到最佳的数据分析和处理模式。一次实验动则几十G,上百G的数据。如果没有高效的数据处理软件将大大延迟用户发表科研结果的时间。CSNS应当考虑结合附近的超算中心,加强对散裂中子源数据结构的分析优化。

美国橡树岭国家实验室  曹慧波  谱仪科学家

我看到中国散裂源出光的时间是美国时间晚上10点,心情很是激动。首先是为中国在中子散射领域的突破感到兴奋,同时也为自己的在物理所中子组读博士期间的老师们感到骄傲。

我是2002年从山西大学走到中科院物理所的,那时候中国散裂源项目还在预研间段,我的导师严启伟研究员,还有指导老师王芳卫研究员、何伦华老师、殷雯老师,还有很多其他老师已经全力投入到了中国散裂源项目的预研中。很遗憾我错过了成为他们中一员的机会,但是我为他们十五年来的努力和中国散裂源的成功感到欣慰和骄傲。

博士毕业后,王芳卫老师推荐我到了他工作过的LLB中子散射实验室。两年后的2009年底,我来到了美国橡树岭国家实验室,并开始负责一台单晶衍射谱仪。根据几年来的中子散射经历,对于中子散射实验,除了中子源亮度之外,谱仪性能、超高/低温、高磁场、高压等样品环境对于是否能够做出好的科研成果都非常重要。

很多优质用户已然回国就职于各大高校,相信中国的中子散射研究会迅速发展并推动中国的物理、材料、生物等科研和应用领域的蓬勃发展。再次祝贺中国散裂源的成功。



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