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                  【中國科學報】讓納米世界“視而可見”
                  2019-08-16|文章来源:田瑞颖 |【
                   

                  小角散射儀(SANS)

                    2018年春節,萬家團圓迎“福”時,位于東莞的中國散裂中子源(CSNS)燈火通明,所有一線建設人員都在爲CSNS的調試駐守崗位,送出了最亮的“敬業福”,點亮了中國的探微之路。

                    截至目前,CSNS已顺利完成两轮开放运行,即将在今年9月迎来第三轮。作为中子源与用户之间的“桥梁”之一,CSNS一期3台谱仪中的小角散射儀(SANS)在前两轮运行中共收到54份用户课题申请,28份通过同行评议,并已全部完成实验。第三轮SANS的用户课题申请数已超过前两轮之和。

                    万达国际娱乐游戏中心(以下简称中科院高能物理所)东莞分部副主任梁天骄告诉《中国科学报》, SANS的设计、制造、安装、调试等环节面临诸多困难,正是大家团结一致、共克难关,才使SANS如期通过验收并顺利对用户开放。

                    而SANS這張來之不易的成績單背後,又有怎樣的故事呢?

                     探微“慧眼” 力填空白 

                    如何看清微觀世界?現代科學誕生前,人類通過肉眼來觀察物質,光學顯微鏡誕生後,人們看到了肉眼無法直接觀測到的細胞、細菌等微觀世界,而擁有更高分辨率的電子顯微鏡可以看到更小的病毒。隨著人類對微觀世界的探索,更高的需求和技術催生了超級顯微鏡——散裂中子源。

                    SANS是我國首套脈沖中子小角散射儀,是CSNS一期建設的3台譜儀之一。它用于探測物質體系在1~100nm尺度內的微觀和介觀結構,廣泛應用于化學、物理、生物、材料、地質等學科,服務于國家能源、環境、生物和新材料等諸多高科技研發領域。

                    “小角散射儀是散裂中子源用戶需求最多的譜儀之一,國外散裂中子源在建設之初也都包括小角散射儀。”梁天驕告訴記者。

                    SANS譜儀現負責人柯于斌解釋道,物質內部存在不同尺度和層級的結構,對于納米尺度的結構,通常使用透射電子顯微鏡(TEM)進行觀測,但其樣品制備非常困難,並且可能在制備過程中影響甚至改變樣品結構。典型的TEM樣品厚度一般在100nm左右,所獲得的微區形貌也不足以論證樣品的整體結構。

                    實際上,納米結構觀測還有另一種常用技術——小角散射,例如小角中子散射技術。通俗來講,中子就像是具有高穿透性的微小“彈球”,這些“彈球”會和材料內部存在的微觀不均勻結構相互作用,被彈射向不同的方向。一個安裝在一定距離外的靈敏的二維探測器就可以捕捉這些“彈球”飛行的角度和數量,進而得到二維的散射角度較小的“彈球”的分布圖,該分布圖就包含了檢測材料內部cm2範圍的納米結構的平均尺度信息,例如材料內部納米尺度的顆粒、析出相、孔洞、疇結構等。“納米尺度的結構信息對衆多學科領域的研究十分重要。”

                    柯于斌進一步解釋說,以頁岩氣和頁岩油爲例,人們需要通過對頁岩中孔隙結構的表征來對油/天然氣的富集度做出評估。其中,納米孔隙(尤其是閉孔)結構的表征就需要用到小角中子散射技術。

                    “在SANS建設前,國際上其他散裂中子源都已有自己的小角散射儀。例如,美國SNS有EQ-SANS,英國ISIS有LOQ和SANS2D,日本的J-PARC有TAIKAN。但中國還沒有基于脈沖中子源的小角譜儀。”柯于斌說。

                     勠力同心 攻坚克难 

                    2010年中科院高能物理所在北京航空航天大學舉辦了一場關于散裂中子源的宣講會,剛剛碩士畢業、已得到倫敦大學留學機會的柯于斌被散裂中子源深深吸引。“我原本是學金屬材料的,但當我聽到大科學裝置時,覺得它很神秘、很高大上,激起了我的興趣,所以就放棄去英國留學轉而加入CSNS的建設了。”

                    爲了更快地學習SANS的設計和技術,在系統負責人陶舉洲的支持和指導下,柯于斌多次前往美國、英國、日本的散裂中子源開展中子散射實驗,借實驗之機學習建造之術。柯于斌說,“陶老師帶領大家開展物理設計、工程設計、加工制造與現場安裝調試,我也從中受益匪淺,同時,國外譜儀科學家也給予了我們很多幫助。”

                    然而有些技術,必須自主研發。“SANS將近8m的准直器關鍵部件全部由我們自主研制。”柯于斌回憶道,“我們參考能找到的很少的文獻,開始摸配方、選原料,自己設計模具和壓制平台,硬是一步步做出來了。”

                    爲了達到更好的設計精度,需要多次重做和打磨,其中的光闌和阻擋塊部件所用的燒結碳化硼材料熔點在2350℃,硬度僅次于金剛石,要在上面打孔,加工難度非常大。團隊前後嘗試了激光、超聲波打孔,但加工深度都不夠,于是他們又跑到大連,和廠家一起碎掉一大批板子之後,終于攻克難題。

                    柯于斌說,“通過摸索和積累,我們不僅解決了工程應用需求,陶老師還帶領我們申請到了2016年廣東省産學研項目的200萬經費,爲我們在該領域繼續展開研究提供了支持。”

                    中子小角散射探測器作爲SANS的關鍵設備,猶如SANS的“眼睛”,其研制也面臨在真空環境使用、空間有限和3He管安裝要求高等諸多關鍵技術難點。在探測器和電子學/數據獲取團隊“7×12”的工作模式下,經過兩年技術攻關,最終攻克了這些關鍵技術,在CSNS獲得首束中子的前三天成功安裝。

                     中国速度 创新不止 

                    2017年11月,SANS開始帶束調試,接踵而至的狀況讓大家心裏沒了底:“亮點問題”“圓暈問題”“透過率異常”“蟲洞問題”等應接不暇。“由于沒有經驗,我們一開始也不知道問題症結在哪兒。”柯于斌回憶時不由得感慨,“我們不得不沈住氣,開展多種測試查找原因,CSNS相關領導也加班協助我們反複研討,淩晨兩三點到家都是常態,即使躺下腦海裏也是白天的測試結果。最終,我們解決了這些問題,如期通過工藝測試和國家驗收。”

                    “SANS的成功調試保障了CSNS的按時驗收,而CSNS調試速度之快讓國際專家驚歎。”梁天驕說。

                    隨著用戶數量的增加和學科領域的擴展,SANS也在進行相應的優化和升級。“我們事先預留了SANS的升級空間,正在制定譜儀的優化和升級方案。短期內,我們正積極配備不同的樣品環境裝置,例如正在采購的5T的超導磁鐵、1500K的高溫爐、低溫恒溫器等,以期滿足更多領域用戶開展原位SANS實驗的需求。”柯于斌說,“此外,我們也在計劃對譜儀的光路和探測器等進行升級,以提升譜儀的探測範圍和綜合性能,滿足高難度的用戶實驗需求。”

                    隨著CSNS運行功率的提高,中子強度和信噪比將會提高,進而提高實驗效率和數據質量。

                    展望未來譜儀發展,柯于斌說,我們的譜儀科學家人才缺口很大,應加強與國外散裂中子源的交流合作。

                    對此,梁天驕認爲,加強譜儀科學家隊伍建設,需要“引進”和“培養”。“引進”將更加開放,不必拘泥于“全職”或“華裔”等條件,只要是能夠有助于CSNS的人才我們都歡迎;“培養”將通過多種途徑爲年輕人創造譜儀各專業領域的學習、培訓、交流和工作條件,國內同類譜儀專家的“傳、幫、帶”與到國外散裂中子源對口譜儀學習相結合等。

                    爲在有限的機時內充分發揮SANS的效用,梁天驕表示,在擴大用戶群體和擴展研究領域的同時,將進一步加強與用戶的溝通,加強對重點領域研究的支持。

                    (原载于《中国科学报》 2019-08-15 第8版 装备制造)


                   
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