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【中國科學報】探索材料結構的超級“CT機”
2019-08-08|文章来源:中国科学报 田瑞颖 |【
 

    編者按 

    中国散裂中子源(CSNS)是我国“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之一,是继美国、日本、英国之后世界上第四台脉冲散裂中子源,也是物理、化学、材料等多领域进行科学实验重要的“超级显微镜”。CSNS一期建设的三台谱仪——中子通用粉末衍射谱仪、小角散射谱仪、多功能反射谱仪对用户开展实验有重要作用。 

    那麽,這三台譜儀的應用領域有哪些?其建設曆程是怎樣的?它們的建設有著怎樣的重要意義?我們將爲讀者一一揭開這些大科學裝置的神秘面紗。 

  醫生往往通過電子計算機斷層掃描(CT)設備來看清人體內部結構,而科研人員若想看清楚材料的內部結構,也同樣需要一台針對材料結構的“CT機”輔助。

  如何既不破坏材料整体结构,又能清晰地观察到材料的原子或者分子的“排兵布阵”呢?中国散裂中子源(CSNS)一期的三台谱仪之一 ——中子通用粉末衍射谱仪(GPPD)便是探索物质结构的利器。

  中國科學院物理研究所研究员、GPPD系统负责人何伦华告诉《中国科学报》:“GPPD其实就是一台超级‘CT机’,不同的是,GPPD适用的对象是材料在分子、原子尺度上的微观结构。”

  讓材料結構“有迹可循” 

  “無論研究哪種材料,都需要看清楚它的結構,中子就像可以輕易打入‘敵人’內部的特工,記錄‘敵人’內部信息。”何倫華解釋道,中子與核作用可以輕易識別同位素和原子系數相鄰的元素,對一些含有氫、氧元素的化合物,以及一些由臨近元素組成的合金材料和磁性材料的研究非常有利。

  此外,中子不帶電,但有磁矩,且具有較強的穿透力,可以用來研究磁性材料的磁結構和磁相互作用,可以在高溫高壓磁場等極端樣品環境下不受容器和裝置的影響觀察物質內部的微觀結構。

  中國散裂中子源也成爲衆多領域開展科學實驗重要的“超級顯微鏡”。然而,中子源産生中子只是開展實驗的第一步,要想提取和分析數據,則必須依靠相應的譜儀。

  何伦华介绍说,GPPD 可以通过记录中子射入一种特定物质前后的轨迹特征,从而弄清其物质结构,主要用于研究物体的晶体结构和磁结构,以满足大多数来自材料科学、纳米科学、凝聚态物理和化学等众多领域的科学研究和工业应用的需求。“这样既节省科研经费,又可以缩短研究周期。”

  當前,新材料成爲我國建設科技強國的重要突破口之一。常規方法研制新材料周期長、風險大且成功率低。GPPD這台超級“CT機”便可以幫助科研人員看清新材料的內部結構。

   白手起家 坚持自主研发 

  2000年7月,時任中科院院長路甬祥訪問英國時參觀了英國的散裂中子源ISIS。ISIS平均每年1500個用戶在20台中子散射譜儀上開展700多個實驗,發表約500篇高水平的相關論文,這讓路甬祥十分感慨,回國後便要求中科院論證我國建造散裂中子源的可行性。陪同路甬祥一同參觀的中科院院士張傑當年在接受媒體采訪時說:“這樣的大科學平台,對提高國家科技創新能力十分重要,中國太需要了!”

  此時,剛剛博士畢業的何倫華已經謀得一份令人羨慕的高校教師工作。負責散裂預研工作的中科院物理所研究員嚴啓偉找到何倫華,勸說她爲中國散裂中子源留下來,承擔GPPD的建設任務。在當時,國內譜儀科學家非常稀缺。

  最終,何倫華放棄了高校教師的機會,開啓了漫漫的譜儀建設路。此前,何倫華主要開展的是磁性材料的研究,而現在她要從一名實驗“用戶”轉爲儀器建造者。當時國內缺少譜儀科學家,GPPD的建設很長一段時間全靠何倫華一點一滴的“死磕”。

  “白手起家”的何倫華爲了更好地學習建設GPPD,申請了國外相關譜儀的機時,頻繁往返于國內外,通過做實驗來探索學習GPPD的建設原理。“科學無國界”的精神也體現在了那個時段的“求學”上。何倫華說,“在GPPD的建設中,國外譜儀科學家給予了我們很多幫助和支持。”

  由于經費有限,GPPD的建設幾乎全部由何倫華團隊自主研發。何倫華回憶道,當時GPPD的建設需要一種屏蔽材料,每200mm×200mm單位的材料就需要2000元,全部買下需要好幾百萬元。“我們的經費根本支持不了,必須自己研發。”何倫華說。

  此外,何倫華還面臨缺少團隊、沒有實驗室的“窘境”。因爲剛到東莞,散裂中子源的建址還是一片荒蕪之地,根本沒有實驗室。何倫華一邊在北京做前期調研,一邊想辦法建實驗室,最終與東莞理工學院合作“借”了一個簡易實驗室,最終何倫華成功研發出該屏蔽材料。何倫華說,“我們研發的屏蔽材料性能優異、價格低廉,獲得多項國家專利,爲國家節約經費超過300萬元。”

  實際上,對于國外譜儀科學家而言,譜儀建設要“輕松”很多,高出我國數倍的經費使他們不必糾結于“省錢”,只需負責核心的設計即可,具體的制造則有相應的流程,不必事必躬親。但正是這樣的環境讓何倫華這些國內譜儀科學家練就了一身“無所不能”的本領。

   打牢基础 厚积薄发 

  何倫華剛到東莞工作時,孩子才剛剛出生。如今,孩子已經14歲了。這兩千多公裏的往返,一晃就是十多年。何倫華不由地感慨,“最初爲了孩子,我想過退出,但當我想到老一輩科學家爲了國家的犧牲精神時,我還是堅持下來了。GPPD也像是我的孩子一樣,慢慢就舍不得離開了。”

  2017年11月1日,中國散裂中子源終于迎來了爲期10天的加速器、靶站、譜儀的首次聯合調試,“通用粉末衍射儀三個探測器均成功采集到樣品數據。”2018年1月22日,第二次聯合調試開始,其間,GPPD在有限時間內通過周密細致的實驗安排,完成了譜儀的初步刻度工作。

  2018年2月14日,GPPD完成了CSNS首個用戶樣品實驗,這次實驗樣品爲锂離子電池新材料。通過結構精修的結果,他們初步確定了該锂離子電池材料中較輕的锂與氧原子的位置和占位,與材料元素分析結果以及理論結構模型吻合,證明了數據的高質量和可靠性。何倫華也是該實驗的成員之一。

  何倫華說,盡管CSNS的功率只有100千瓦,比日本和美國散裂源的功率低一個量級,但GPPD的各項重要指標均達到國際先進水平。

  在2018年3月30日召開的CSNS通用粉末衍射儀性能和首期實驗評估會上,美國國家標准技術研究所中子研究中心教授黃清鎮、北京大學物理學院教授楊金波等專家對GPPD評價道,GPPD譜儀的設計先進合理,加工和安裝精度高,調試成功;譜儀總體性能指標達到或超過任務書的要求。首期實驗對7個典型多晶粉末樣品進行了實驗評估,結果表明譜儀對晶體結構和磁有序結構的測定、輕元素和相鄰過渡族元素的分辨、相變等信息的獲取准確可靠,得到了用戶的高度認可。

  GPPD建成後在極短的時間內就可以投入科學實驗,這在其他國家是未曾出現的,一般情況下要經過至少2~3年的調試時間。對此,CSNS國際評議會上,專家感歎道:“不可思議”。

  “這是因爲基礎打得好。”何倫華透露,“我們所有的流程都非常嚴謹,所有的數據都確認無誤後才開始下一步,因此極大地縮短了後期數據檢查確認的時間。”

   用戶實驗“供不應求” 

  據何倫華透露,目前國內用戶的實驗需求十分旺盛,僅今年下半年,申請機時的用戶就已經超過100人次,但是我們沒有能力接受這麽多的用戶需求,國內相應的譜儀還是太少了。

  由于GPPD是主要滿足大多數用戶的“通用”型設備,而很多關鍵特殊領域的實驗需要更有針對性的譜儀,基于這現狀,何倫華說,“針對一些‘卡脖子’的重要實驗,我們正在對GPPD進行相應的改造,以滿足相關實驗的開展。”

  此外,何倫華表示,目前我國缺少譜儀科學家,除了相關領域發展起步晚,經驗不足,人才待遇也是難以留才的重要原因。

  譜儀科學家不僅需要多學科交叉融合的背景,與用戶的對接也至關重要。何倫華說,譜儀科學家要根據不同用戶的實驗需求設計實驗方案,同樣,對譜儀了解的用戶也會使溝通更加容易。

  (原载于《中国科学报》 2019-08-08 第8版 装备制造)

 

  

  

  

  


 
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