近日，中國散裂中子源多物理譜儀通過專家組驗收，將于10月對外開放運行。這是世界第四臺、國內首臺中子全散射多物理譜儀，通量超過同功率英國散裂中子源同類型譜儀，分辨率達世界先進水平。

這臺多物理譜儀由東莞理工學院、香港城市大學與散裂中子源科學中心合作建設，也是香港特別行政區政府在內地投資共建的首個科研設施，對粵港澳深化區域創新協作具有標志性意義。

南方日報記者專訪了中國科學院高能物理研究所東莞研究部中子科學部副主任、多物理譜儀系統負責人殷雯，講述國內首臺多物理譜儀的研發過程及其價值。

什么是多物理譜儀?

就像放大鏡能看清蜜蜂的翅膀，多物理譜儀就是觀看原子世界的“放大鏡”。

中國散裂中子源多物理譜儀位于一座約一層樓高的建筑內，里面排布著各類精密儀器。在科研人員的演示下，記者看到，經過手套操作箱處理過的樣本，首先借助樣本桿和起吊設備，進入真空腔體。隨后，旁邊的監控屏上，會逐漸出現材料結構的一系列數據。

什么是多物理譜儀?殷雯打了個比方：就像放大鏡能看清蜜蜂的翅膀，多物理譜儀就是觀看原子世界的“放大鏡”，“能夠為人們打開認識世界的另一扇窗”。

這臺多物理譜儀于2018年9月開建，今年1月底成功出束。兩年多時間里，科研人員克服了重重困難。

“我們的物理設計從2017年就開始了，不斷優化參數，邀請國際專家評審，反復修改了很多個版本。”殷雯說，譜儀的設計沒有最優，只有更優。

到了2019年，研究所開始定購各種設備。疫情發生后，工廠生產受到影響，一些設備難以交貨。例如做實驗的真空腔體，為保證腔體的高真空度，決定對100毫米厚的鋁合金主腔體采用電子束焊，工藝難度極高。為此，中國科學院高能物理研究所副所長、散裂中子源科學中心主任陳延偉到南京與制造企業面對面溝通，最終試焊了20多次，才“拿下”這個設備。

為讓譜儀早日建成，加班加點成為項目組的常態。殷雯介紹，譜儀的探測器非常貴，一個小模塊就要100多萬元，安裝時必須非常小心細致。庚子年除夕的前一天，探測器電子學專業組還在現場忙著安裝探測器。大年初五，很多科研人員又返回東莞，繼續完成設備安裝調試。

譜儀中有一個長30米的中子導管，是進口設備，安裝精度要求很苛刻，要控制在正負25微米范圍內。受疫情影響，國外工程師無法前來安裝，項目組與準直專業組決定自己上。“有風的時候，大廳的門一開，激光跟蹤儀數據就有漂移。如果安裝的位置有偏差，就會影響譜儀的通量，準直組和我們一起承擔了很大的風險。”殷雯說，當時預想樣品處的中子通量能夠達到2.0×10的七次方，安裝后測算結果是3.01×10的七次方，遠高于最初的預想。

“除了自主安裝設備，我們還堅持自主研發，多物理譜儀設備的國產化率超過90%。”殷雯說。

其中一個具有代表性的設備是徑向準直器，需要在有機薄膜上鍍一層中子吸收材料，以降低測量時的噪音。過去這類設備都依賴進口，這次項目組決定自己研發，團隊自主探索，雖然走了一些彎路，但最終實現了徑向準直器的國產替代，性能不輸國外產品。

“自主研發最大的優勢在于，設備一旦損壞，我們能馬上更換，不再受制于人。”殷雯說，減少了進口依賴，才能真正實現科技自立自強。

值得一提的是，多物理譜儀中的單樣品桿、屏蔽材料、測試平臺等諸多設備，都由東莞本地企業生產。殷雯說，幾年前本地企業為大科學裝置配套的能力還較低，但如今這種配套能力顯著增強。

這臺譜儀能做什么?

借助多物理譜儀，有望進一步洞悉材料的原子結構和性能機理，在材料科學、凝聚態物理、生命科學等領域發揮重要作用。

今年1月26日是殷雯印象最深的日子。當日，多物理譜儀要接收第一束中子束，檢測各項技術參數。中國科學院院士陳和生以及東莞理工學院、散裂中子源、香港城市大學的很多權威專家一起到場見證。

“前一晚，我們很多人無法入眠。”殷雯說，因為很多設備是自主研發的，中子導管也是自己安裝的，只要有一個設備出了問題，就會影響中子出束。

中子開關打開時，殷雯在心里默念：“一定要有!一定要有!”最終結果讓大家喜出望外。使用不同方法，連續測量驗證多次，測試結果都優于驗收指標。

通量和分辨率是衡量譜儀技術水平的兩項關鍵指標。通量決定著譜儀的工作效率，分辨率影響著譜儀的清晰度。最初設定的驗收指標為分辨率2%、通量為10的6次方，最終實際達到了分辨率0.4%、通量3.01×10的7次方。

與國際上其他3臺多物理譜儀對比，該譜儀的設計通量是同功率英國散裂中子源譜儀的4到5倍，居世界第一;分辨率與兆瓦級的美國散裂中子源譜儀相當，達到世界先進水平。

要達到這樣的效果并不容易，其中存在一個難題。“如果使用中子導管，分辨率會下降。但要是不使用導管，通量又會下降，這是研究中的兩難問題。”殷雯說，最終設計團隊研究出一種方式，能夠在使用中子導管的同時，確保分辨率不降低。

殷雯形象地介紹，中子在飛行過程中就像一堆粒子在賽跑，有的跑得快、有的跑得慢，如果把賽道拉長，粒子之間的快慢差異就會更加明顯，更加容易觀測捕捉。設計團隊將粒子的飛行距離從17米拉長到30米，將波長分開，有效地解決了分辨率不足的科研難題。

多物理譜儀是用來做什么的?殷雯介紹，多物理譜儀主要用于長程有序但局域無序材料與長程無序材料的結構研究，將在我國材料科學、凝聚態物理、生命科學、納米等學科領域發揮重要作用。

比如說，香港城市大學的一位專家來這里研究中熵合金的性能。這種合金能在零下240攝氏度依然保持結構的穩定性。借助多物理譜儀，專家能進一步洞悉材料的原子結構和性能機理。

在新能源領域，中國科學院曾研制出一種新能源電池，在當年具有最高的能量密度，但原理并不清晰。后來通過中子散射研究，發現這類電池在充放電過程中，原子間距有變化。借助多物理譜儀，有望研究出充電快、續航時間長、能量密度高的電池。

在凝聚態物理領域，一個小小的U盤之所以能有大容量，就與其特殊的局域結構有關系。借助中子散射研究這種局域結構，能夠催生出更多新發現。

在生命科學領域，多物理譜儀可以用于一些藥物的研究。什么樣的藥物結構，更有助于被人體吸收，有助于促進催化劑發揮作用，多物理譜儀將給生命科學帶來全新的研究方法。

有望催生源頭創新

國內科研需求強烈，但過去中國學者只能求助于國外。隨著更多譜儀的建成，未來有望催生一系列源頭性創新突破。

聽說多物理譜儀成功出束，很多高校院所專家慕名而來。目前，多物理譜儀已經承接了東莞理工學院、香港城市大學、香港中文大學、北京大學深圳研究生院、松山湖材料實驗室等用戶的項目。

多物理譜儀從7月初開始征集用戶課題申請，受到了國內外用戶、特別是東莞理工學院科研人員的廣泛關注。目前用戶主要集中在電池和高性能合金兩個領域，未來有望催生一系列性能機理研究的創新突破。

據權威機構統計，過去幾年，中國散裂中子源用戶在《科學》等頂級期刊發表用戶文章60余篇，前三年的科學產出遠超美國、日本散裂中子源。

背后原因是什么?殷雯介紹，改革開放以后，中國學者才進入中子散射研究領域，但發表的文章數量急劇增加。以2017年為例，當年中國學者在中子散射領域的科研產出在全球占比高達14%。

國內科研力量雄厚、科研需求強烈，但當時中國散裂中子源還沒建成，中國學者只能求助于國外。“我們發現近幾年來，中國學者申請國外散裂中子源的實驗機時，變得越來越困難。”殷雯說，少數有經驗的用戶能申請到機時，但新的用戶卻難上加難，“讓中國學者用上自己家的散裂中子源，就是我們肩上的責任”。

此前，中國散裂中子源已經開放通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀3臺譜儀。多物理譜儀通過驗收，將散裂中子源探索微觀世界的范圍，從幾埃拓展到了0.1埃。

未來三年，中國散裂中子源還將先后建成7臺譜儀。中國散裂中子源(二期)將再建9臺譜儀。這些譜儀將為科技自立自強提供有力支撐。

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