当我国超级显微镜设备自主研发率超过一半

我国“超级显微镜”设备自主研发率超过一半

我国迄今单项投资规模最大的国家重大科技基础设施——中国散裂中子源终于建成。3月25日，该装置通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收，成为我国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源，填补了国内脉冲中子应用领域的空白。

“散裂中子源”通俗来说就是一个用中子散射来了解微观世界的工具，因此被形象地称作“超级显微镜”，是研究物质微观结构的“国之重器”。

中国散裂中子源工程总指挥、中国科学院院士陈和生说，很多人使用光学显微镜去观察肉眼无法直接看到的细胞和细菌，而中子探测的世界更为微观，用中子照相的方法，能够观测一滴水是如何从一株植物的根部运输到枝叶上的。借此可以用于治疗癌症、检测飞机高铁安全性等。

不过，要产生中子这个比原子还小的粒子并不容易。按照陈和生的说法，需要将质子加速到16亿电子伏特——相当于0.9倍光速，把质子束当成“子弹”锚杆托盘剪切强度检测设备，去轰击原子系数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子后，科学家才能通过特殊的装置来“收集”中子。

在这个过程中，质子加速是一大核心技术，而将质子加速到16亿电子伏特的关键就在于一个名为射频功率源的系统，后者因此被称作“超级显微镜”的“动力心脏”。中国散裂中子源通过验收时，由中国航天科工二院23所提供的近50台套功率源设备同样全部达到验收指标。

事实上，因为射频功率源系统中很多关键设备尚无国产先例，加上可靠性要求极高，这些年，不少厂家望而却步或铩羽而归。中国散裂中子源加速器部经理傅世年说，航天科工二院23所是散裂中子源项目从开始坚持到最后的唯一一家关键设备配套商，啃下了加速器里80%的硬骨头。

时任射频功率源系统工程技术负责人、航天科工二院资产运营部部长肖海潮表示，23所下属航天广通的科研人员，用了整整10年才拿下整个射频功率源系统。他们研制出国内首套200MHz以上大功率四极管功率源、国内首套应用于加速器系统的数字低电平系统——这些都是“填补空白”。

散裂中子源的出现突破了反应堆中子源中子通量的极限。当快速粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被“剥离”，或被轰击出来，在核反应中被称为散裂。散裂反应和裂变反应的不同点是：它不释放那么高的能量，但它可以将一个原子核打成几块，可能是三块，也可能是四块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等产物，对开展核物理前沿课题研究和应用研究非常有用，且所产生的中子还会在相临的靶核上继续通过核反应产生中子——即核外级联。一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。

20世纪80年代起，质子加如4速器驱动的散裂中子源，逐渐地进入实际应用阶段。其原理比较简单，用中能强流质子加速器，产生1GeV左右的中能质子（束功率为兆瓦装备要定期进行保护量级）轰击重元素靶（如铅、钨或者铀、钍重靶），在靶中产生散裂反应，具有高有效中子通量、无放射性核废料等特征。

散裂中子源的特点是在比较小的体积内可产生比较高的中子通量，每个中子能量沉积比反应堆低倍 单位体积的中子强度比裂变堆高倍 可用较低功率产生与高通量堆相当或更高的平均中子通量。要达到1×1015/cm2.s 的平均中子通量，散裂源需5兆瓦束功率，而高通量堆则需60兆瓦热功率。散裂中子源的脉冲特性是由加速器所决定的，因此它的脉冲化对于中子通量并不造成损失，如果配上飞行时间技术，可以具有很高的时间分辨性能，对于开展材料和生命科学中，包括一些中子核物理，一些动态特性的研究极为关键。（5）机体导电：散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从电子伏特，到几百兆电子伏特宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深了中子科学研究的领域。发达国家正把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要措施。

在中国散裂中子源验收的当天，陈和生提到，整个设备国产化率超过90%，显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业技术水平和自主创新能力，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越，技术和综合性能进入国际同类装置先进行列。