《超级实验室》重磅推出，揭秘中国散裂中子源首台合作谱仪
龙头企业投身“造车”似乎成了大势所趋，然而里程焦虑仍制约市场发展，动力的问题将如何解决？
位于东莞松山湖畔的中国散裂中子源或有解决办法，今年这里的多物理谱仪将迎来验收。它能对锂离子电池材料充放电过程中，所发生的结构变化进行监测，帮助研发人员了解电池的失效机制。
南方都市报莞惠新闻部联合珠三角可视化工作室推出《超级实验室》栏目，第一期我们走近中国散裂中子源多物理谱仪，看看它将为基础研究、产业发展带来怎样的惊喜？
延伸：
中国散裂中子源就像“超级显微镜”，是研究物质材料微观结构的理想探针。它目前由一台8千万电子伏特直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站，以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪组成。
如果说前面三者是产生中子的地方，那么谱仪是利用中子散射来测量物质的微观结构和动力学的装置。它根据研究方向的不同，需要不同能量的中子，因而会采取不同的设计，以达到实验目的。
中国散裂中子源仍在成长中，目前有8台谱仪正在建设，其中本次走访的多物理谱仪有望成为第一台验收并运行的合作谱仪。
帮助发现电池失效机制
自然界中的材料包含两类，一种是有序的，一种无序的。所谓的有序和无序是指材料在微观结构上原子排列的方式。常见的材料，基本上处于排列有序的状态，也就是长程有序，它们通过一些常规手段就可以探测到。而无序的材料，如玻璃，它的原子排列是无序的，没有一个很好的规律性，探测起来就比较复杂。这时候，多物理谱仪就能发挥它的作用了。
中科院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任、中国散裂中子源多物理谱仪负责人殷雯表示，多物理谱仪将集中在长程有序但局域无序材料与中短程有序材料的结构研究，为科学家探索物质内部结构提供重要工具，将在我国材料科学、凝聚态物理、生命科学、纳米催化等学科领域发挥重要作用，满足若干国家战略前沿技术发展的重大需求。
“像电瓶车、手机，时间长了，电池就不耐用了。”多物理谱仪科研人员陈怀灿分析，电池在充放电中，电池材料的微观结构（原子间键长、晶格常数）会发生变化，导致材料使用寿命降低，进而会降低电池使用寿命。利用多物理谱仪可探测电池充放电过程中微观结构的演化，帮助发现电池失效的原因。根据这些结果，或可以寻找到解决方案。
20分钟可获取一个衍射谱
今年1月26日8时39分，多物理谱仪成功出束，中子束流与预期相符。按照目前进程，预计今年6月份验收。
随着设备验收步伐的临近，陈怀灿和其他团队成员们在谱仪大厅待的时间更长了，他们需要对设备的每一个零部件进行检查，对实验流程进行把控，以调试到最佳状态迎接验收。
4月20日下午，现场工作人员对自动换样设备进行调试，里面可以一次性放置16个样品，将每一个样品的抓取位置调得更加精准，获取更精确的数据。有了自动换样设备，研究人员做实验时，就不用每次打开腔体进行换样和抽真空，换样时间从一个小时减小到10秒钟。
那么具体实验流程是怎样的呢？
陈怀灿介绍，研究人员会根据材料是粉末还是固体，进行分配，放置在样品盒里，随后样品盒会被放到样品杆上，进而放到散射腔体内。等一切准备做好后，就可以打开中子束开关，通过中子导管将束流引过来，让中子与样品发生相互作用。最后中子探测器探测中子计数，研究人员通过电子学分析，得到一份衍射谱的信息。
一个样品它大概需要多长的实验时间？陈怀灿介绍，多物理谱仪通量还是比较高的，20分钟可以取一个衍射谱。不同的样品需要的测试时间不一样，如果说要做一个PDF实验，估计需要一般12个小时左右。
研制国内最大真空腔体
多物理谱仪是国内首台中子全散射谱仪，它的总投资为9200万。其中不少关键部件由谱仪团队和各合作单位共同努力完成。
“从中子出发点到样品位置这一段 ‘旅程’，中子需要通过中子导管正中心过来。这一段距离要求非常直。”陈怀灿介绍，具体到装置上，要求每一个导管具有超高的安装精度，即两段中子导管完美对接，多物理谱仪中子导管将近26米长，每一节导管的安装误差不超过50微米，操作难度非常高。
然而，去年疫情影响，国外工程师不能抵达现场安装谱仪关键设备中子导管，但谱仪建设团队通过精心准备，经过近一个月的努力，最终高质量完成全部中子导管的高精度准直与安装工作，中子通量达到预期。
样品在实验的过程中需要一个真空环境，否则会影响数据背底信号。谱仪建设团队和各合作单位共同努力、克服困难完成国内首台12立方米中子散射真空腔的研制工作，腔体是国内中子谱仪上使用最大的一个腔体。
多物理谱仪建设过程，团队不断进行技术突破。过往精细准直器主要是国外进口，国内尚无厂家生产。工程师就先通过大量调研，包括研读大量的国外文献，先研究设备的关键部件，再制造样机，最后联系厂家进行生产。如今，团队研发完成了一套360度的精细准直器，效果不输进口产品。
带动本土产业升级
当前多物理谱仪处于一个实验调试阶段。在谱仪的性能调试过程中，香港城市大学、南方科技大学、中国科技大学、东莞理工学院等用户先后开展测试实验。
多物理谱仪是散裂中子源科学中心、东莞理工学院和香港城市大学共同建设的国内首台中子全散射谱仪，也是CSNS第一台合作谱仪。
中国散裂中子源启动运行后，大科学装置的综合效应开始逐步显现，为粤港澳大湾区的科学研究和高技术研发提供了世界一流平台。随着更多谱仪的建成，释放的能量将越来越大，为突破前沿技术提供研究平台。
大科学装置在基础研究和应用研究之外，其设计和建造将大力促进相关产业发展和技术革新。在设备从无到有的过程，团队在全国寻找供应商过程中，因为设备的精度要求高，对于供应商的要求也高，从另一个层面来看也是对产业水平的一个提高，也为区域产业升级提供机会。
让我们共同期待更多的科研成果从中国散裂中子源这里输出。
南方都市报莞惠新闻部 珠三角可视化工作室 联合出品
总策划 陶然 田霜月
策划 潘劲松 申鹏
统筹 谭伟山 何永华
主持/脚本 梁锦弟
摄像 谭伟山 陈辉 刘媚 实习生 叶钧廷
剪辑 李克川 许燕玲
编辑：梁锦弟,刘辉龙
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