中国先进的“超级显微镜”将揭开微观世界的秘密

周四，位于中国南部广东省东莞市的中国散裂中子源(CSNS)开始了新一轮的用户操作，在接下来的四个月里，将进行57次新材料实验。

中国科学院高能物理研究所张俊荣教授表示，这些实验提案包括1个国外用户和5个香港和澳门用户，主要涉及磁性材料、量子材料、锂电池材料、页岩、催化材料、高强钢和高性能合金。

在IHEP的指导下，CSNS项目于2011年开始建设，总投资23亿元人民币(3.23亿美元)。

它于2018年8月投入使用，由一个直线加速器、一个快速循环同步加速器、一个靶站、三个中子仪器和其他辅助设施组成。

探索微观世界

被称为“超级显微镜”的散裂中子源可以产生并加速质子，然后将它们撞向目标产生中子，然后中子束将被引导到材料样品上。因此，研究人员可以通过测量散射中子的分布及其能量和动量的变化来准确地推断材料的原子结构。

但与同步辐射设备的x射线不同，中子对电子数量不敏感，在研究含有电子较少的轻元素(如碳、氢和氧)的材料时，中子是更好的“探针”。同步辐射设备也用于探索材料的微观结构。

IHEP东莞分院副院长金大鹏在能源材料领域举了一个例子。氢动力汽车比汽油燃料的替代品更节能、更环保。科学家们希望将氢储存在密度更高的固体中，但对氢加压很容易引发爆炸。因此，研究人员正试图开发一种金属有机框架，它可以吸收氢气储存，并在需要时释放氢气。中子散射可以帮助科学家研究在什么地方和什么条件下，氢在这种材料中可以更好地储存和释放。

得益于中子在检测轻元素方面的优势，CSNS首批3台科学实验中子仪器在前两轮用户运行中取得了丰硕的研究成果。

张说，从2018年9月到2019年6月，CSNS为国内外用户完成了101次实验。

来自香港大学的材料研究员黄明新在CSNS的一个中子仪器上进行了详细的实验，以测试他的团队开发的高强度钢。

他对精确的结果和方便的服务都很满意。他曾申请使用日本的散裂中子源(J-PARC)，但他必须先设计实验步骤，然后将材料样品送到日本，然后一直等待数据的返回。

现在，他从香港开车到CSNS只需一个半小时，“就像在家门口一样，”黄说。

聚焦国际科技前沿，服务国家重大发展需求，在锂离子电池新材料、自旋霍尔磁膜、高强度合金、芯片中子诱导单事件效应等诸多研究领域取得进展。关于这些实验结果的12篇文章已经发表或被学术期刊接受。

CSNS可以为20多个中子仪器提供中子束。金大鹏说:“我们希望在未来三到四年内为各种需求建造五到七个新仪器。”

以令人难以置信的效率调试

CSNS是继英国、美国和日本之后世界上第四个脉冲散裂中子源，其研究人员的调试效率让国外同行感到惊讶。

质子束功率是散裂中子源的关键性能之一。金解释说，功率越高，产生的中子越多，检测到的散射中子信号越多，因此实验消耗的时间越少，实验获得的数据越好。

去年9月，CSNS以20千瓦的功率运行。金说:“到2018年底，它的运行功率已达到50千瓦。”他们计划在今年年底之前将发电量增加到80千瓦，这意味着可以提前实现3年内达到100千瓦的目标。

在逐步增加束流功率的同时，负责加速器调试的加速器物理组反复测试和检查了数千台设备在每个功率水平下的参数，以找到最佳组合。

“粒子束计时系统的时间抖动必须控制在纳秒级，”加速器物理小组组长徐守彦说。

“我们在加速器上安装了数百台仪器来测量粒子束的状态。但这些参数以一种复杂的方式组合在一起，即使是很小的偏差也可能是数百或数千个设备混合错误的结果，”徐说。

“CSNS预计在通过国家验收后的三年或更短的时间内达到100千瓦的设计光束功率，因为我们由于国外同行的经验而少走了弯路。此外，我们中国人总是努力工作。”

对于徐和他的同事们来说，加班是很正常的。徐曾经连续工作了37个小时，没有休息。“我一点也不困。我以前是在电脑上工作的，但是当我看到这些设备一步一步地像预期的那样运行时，我真的很兴奋，迫不及待地想要进行下一次测试。”

科学家们希望最终将CSNS的光束功率从100千瓦提高到500千瓦。为了实现这一目标，他们在最初的设计中预留了进一步修改和升级的空间。现在，研究人员已经开始为CSNS二期项目升级加速器的计划。

“学习物理最大的乐趣之一就是能够探索和接近世界的本质，而散裂中子源正在帮助我们实现这一点，”徐说。

周四，位于中国南部广东省东莞市的中国散裂中子源(CSNS)开始了新一轮的用户操作，在接下来的四个月里，将进行57次新材料实验。

中国科学院高能物理研究所张俊荣教授表示，这些实验提案包括1个国外用户和5个香港和澳门用户，主要涉及磁性材料、量子材料、锂电池材料、页岩、催化材料、高强钢和高性能合金。

在IHEP的指导下，CSNS项目于2011年开始建设，总投资23亿元人民币(3.23亿美元)。

它于2018年8月投入使用，由一个直线加速器、一个快速循环同步加速器、一个靶站、三个中子仪器和其他辅助设施组成。

探索微观世界

被称为“超级显微镜”的散裂中子源可以产生并加速质子，然后将它们撞向目标产生中子，然后中子束将被引导到材料样品上。因此，研究人员可以通过测量散射中子的分布及其能量和动量的变化来准确地推断材料的原子结构。

但与同步辐射设备的x射线不同，中子对电子数量不敏感，在研究含有电子较少的轻元素(如碳、氢和氧)的材料时，中子是更好的“探针”。同步辐射设备也用于探索材料的微观结构。

IHEP东莞分院副院长金大鹏在能源材料领域举了一个例子。氢动力汽车比汽油燃料的替代品更节能、更环保。科学家们希望将氢储存在密度更高的固体中，但对氢加压很容易引发爆炸。因此，研究人员正试图开发一种金属有机框架，它可以吸收氢气储存，并在需要时释放氢气。中子散射可以帮助科学家研究在什么地方和什么条件下，氢在这种材料中可以更好地储存和释放。

得益于中子在检测轻元素方面的优势，CSNS首批3台科学实验中子仪器在前两轮用户运行中取得了丰硕的研究成果。

张说，从2018年9月到2019年6月，CSNS为国内外用户完成了101次实验。

来自香港大学的材料研究员黄明新在CSNS的一个中子仪器上进行了详细的实验，以测试他的团队开发的高强度钢。

他对精确的结果和方便的服务都很满意。他曾申请使用日本的散裂中子源(J-PARC)，但他必须先设计实验步骤，然后将材料样品送到日本，然后一直等待数据的返回。

现在，他从香港开车到CSNS只需一个半小时，“就像在家门口一样，”黄说。

聚焦国际科技前沿，服务国家重大发展需求，在锂离子电池新材料、自旋霍尔磁膜、高强度合金、芯片中子诱导单事件效应等诸多研究领域取得进展。关于这些实验结果的12篇文章已经发表或被学术期刊接受。

CSNS可以为20多个中子仪器提供中子束。金大鹏说:“我们希望在未来三到四年内为各种需求建造五到七个新仪器。”

以令人难以置信的效率调试

CSNS是继英国、美国和日本之后世界上第四个脉冲散裂中子源，其研究人员的调试效率让国外同行感到惊讶。

质子束功率是散裂中子源的关键性能之一。金解释说，功率越高，产生的中子越多，检测到的散射中子信号越多，因此实验消耗的时间越少，实验获得的数据越好。

去年9月，CSNS以20千瓦的功率运行。金说:“到2018年底，它的运行功率已达到50千瓦。”他们计划在今年年底之前将发电量增加到80千瓦，这意味着可以提前实现3年内达到100千瓦的目标。

在逐步增加束流功率的同时，负责加速器调试的加速器物理组反复测试和检查了数千台设备在每个功率水平下的参数，以找到最佳组合。

“粒子束计时系统的时间抖动必须控制在纳秒级，”加速器物理小组组长徐守彦说。

“我们在加速器上安装了数百台仪器来测量粒子束的状态。但这些参数以一种复杂的方式组合在一起，即使是很小的偏差也可能是数百或数千个设备混合错误的结果，”徐说。

“CSNS预计在通过国家验收后的三年或更短的时间内达到100千瓦的设计光束功率，因为我们由于国外同行的经验而少走了弯路。此外，我们中国人总是努力工作。”

对于徐和他的同事们来说，加班是很正常的。徐曾经连续工作了37个小时，没有休息。“我一点也不困。我以前是在电脑上工作的，但是当我看到这些设备一步一步地像预期的那样运行时，我真的很兴奋，迫不及待地想要进行下一次测试。”

科学家们希望最终将CSNS的光束功率从100千瓦提高到500千瓦。为了实现这一目标，他们在最初的设计中预留了进一步修改和升级的空间。现在，研究人员已经开始为CSNS二期项目升级加速器的计划。

“学习物理最大的乐趣之一就是能够探索和接近世界的本质，而散裂中子源正在帮助我们实现这一点，”徐说。