編者按 

　　　 中國(guó)散裂中子源（CSNS）是我國(guó)“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的十二大科學(xué)裝置之一，是繼美國(guó)、日本、英國(guó)之后世界上第四臺(tái)脈沖散裂中子源，也是物理、化學(xué)、材料等多領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)重要的“超級(jí)顯微鏡”。CSNS一期建設(shè)的三臺(tái)譜儀——中子通用粉末衍射譜儀、小角散射譜儀、多功能反射譜儀對(duì)用戶開展實(shí)驗(yàn)有重要作用。 

　　　　那么，這三臺(tái)譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？其建設(shè)歷程是怎樣的？它們的建設(shè)有著怎樣的重要意義？我們將為讀者一一揭開這些大科學(xué)裝置的神秘面紗。 

　　醫(yī)生往往通過電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）設(shè)備來看清人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而科研人員若想看清楚材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也同樣需要一臺(tái)針對(duì)材料結(jié)構(gòu)的“CT機(jī)”輔助。

　　如何既不破壞材料整體結(jié)構(gòu)，又能清晰地觀察到材料的原子或者分子的“排兵布陣”呢？中國(guó)散裂中子源（CSNS）一期的三臺(tái)譜儀之一 ——中子通用粉末衍射譜儀（GPPD）便是探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的利器。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、GPPD系統(tǒng)負(fù)責(zé)人何倫華告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“GPPD其實(shí)就是一臺(tái)超級(jí)‘CT機(jī)’，不同的是，GPPD適用的對(duì)象是材料在分子、原子尺度上的微觀結(jié)構(gòu)?！?/p>

　　讓材料結(jié)構(gòu)“有跡可循” 

　　“無論研究哪種材料，都需要看清楚它的結(jié)構(gòu)，中子就像可以輕易打入‘?dāng)橙恕瘍?nèi)部的特工，記錄‘?dāng)橙恕瘍?nèi)部信息?！焙蝹惾A解釋道，中子與核作用可以輕易識(shí)別同位素和原子系數(shù)相鄰的元素，對(duì)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(qiáng)的穿透力，可以用來研究磁性材料的磁結(jié)構(gòu)和磁相互作用，可以在高溫高壓磁場(chǎng)等極端樣品環(huán)境下不受容器和裝置的影響觀察物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。

　　中國(guó)散裂中子源也成為眾多領(lǐng)域開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)重要的“超級(jí)顯微鏡”。然而，中子源產(chǎn)生中子只是開展實(shí)驗(yàn)的第一步，要想提取和分析數(shù)據(jù)，則必須依靠相應(yīng)的譜儀。

　　何倫華介紹說，GPPD 可以通過記錄中子射入一種特定物質(zhì)前后的軌跡特征，從而弄清其物質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要用于研究物體的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)，以滿足大多數(shù)來自材料科學(xué)、納米科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的需求?！斑@樣既節(jié)省科研經(jīng)費(fèi)，又可以縮短研究周期?！?/p>

　　當(dāng)前，新材料成為我國(guó)建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的重要突破口之一。常規(guī)方法研制新材料周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大且成功率低。GPPD這臺(tái)超級(jí)“CT機(jī)”便可以幫助科研人員看清新材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　　白手起家 堅(jiān)持自主研發(fā) 

　　2000年7月，時(shí)任中科院院長(zhǎng)路甬祥訪問英國(guó)時(shí)參觀了英國(guó)的散裂中子源ISIS。ISIS平均每年1500個(gè)用戶在20臺(tái)中子散射譜儀上開展700多個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)表約500篇高水平的相關(guān)論文，這讓路甬祥十分感慨，回國(guó)后便要求中科院論證我國(guó)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杰當(dāng)年在接受媒體采訪時(shí)說：“這樣的大科學(xué)平臺(tái)，對(duì)提高國(guó)家科技創(chuàng)新能力十分重要，中國(guó)太需要了！”

　　此時(shí)，剛剛博士畢業(yè)的何倫華已經(jīng)謀得一份令人羨慕的高校教師工作。負(fù)責(zé)散裂預(yù)研工作的中科院物理所研究員嚴(yán)啟偉找到何倫華，勸說她為中國(guó)散裂中子源留下來，承擔(dān)GPPD的建設(shè)任務(wù)。在當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)譜儀科學(xué)家非常稀缺。

　　最終，何倫華放棄了高校教師的機(jī)會(huì)，開啟了漫漫的譜儀建設(shè)路。此前，何倫華主要開展的是磁性材料的研究，而現(xiàn)在她要從一名實(shí)驗(yàn)“用戶”轉(zhuǎn)為儀器建造者。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)缺少譜儀科學(xué)家，GPPD的建設(shè)很長(zhǎng)一段時(shí)間全靠何倫華一點(diǎn)一滴的“死磕”。

　　“白手起家”的何倫華為了更好地學(xué)習(xí)建設(shè)GPPD，申請(qǐng)了國(guó)外相關(guān)譜儀的機(jī)時(shí)，頻繁往返于國(guó)內(nèi)外，通過做實(shí)驗(yàn)來探索學(xué)習(xí)GPPD的建設(shè)原理。“科學(xué)無國(guó)界”的精神也體現(xiàn)在了那個(gè)時(shí)段的“求學(xué)”上。何倫華說，“在GPPD的建設(shè)中，國(guó)外譜儀科學(xué)家給予了我們很多幫助和支持?！?/p>

　　由于經(jīng)費(fèi)有限，GPPD的建設(shè)幾乎全部由何倫華團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)。何倫華回憶道，當(dāng)時(shí)GPPD的建設(shè)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(wàn)元?！拔覀兊慕?jīng)費(fèi)根本支持不了，必須自己研發(fā)?！焙蝹惾A說。

　　此外，何倫華還面臨缺少團(tuán)隊(duì)、沒有實(shí)驗(yàn)室的“窘境”。因?yàn)閯偟綎|莞，散裂中子源的建址還是一片荒蕪之地，根本沒有實(shí)驗(yàn)室。何倫華一邊在北京做前期調(diào)研，一邊想辦法建實(shí)驗(yàn)室，最終與東莞理工學(xué)院合作“借”了一個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)室，最終何倫華成功研發(fā)出該屏蔽材料。何倫華說，“我們研發(fā)的屏蔽材料性能優(yōu)異、價(jià)格低廉，獲得多項(xiàng)國(guó)家專利，為國(guó)家節(jié)約經(jīng)費(fèi)超過300萬(wàn)元?！?/p>

　　實(shí)際上，對(duì)于國(guó)外譜儀科學(xué)家而言，譜儀建設(shè)要“輕松”很多，高出我國(guó)數(shù)倍的經(jīng)費(fèi)使他們不必糾結(jié)于“省錢”，只需負(fù)責(zé)核心的設(shè)計(jì)即可，具體的制造則有相應(yīng)的流程，不必事必躬親。但正是這樣的環(huán)境讓何倫華這些國(guó)內(nèi)譜儀科學(xué)家練就了一身“無所不能”的本領(lǐng)。

　　　打牢基礎(chǔ) 厚積薄發(fā) 

　　何倫華剛到東莞工作時(shí)，孩子才剛剛出生。如今，孩子已經(jīng)14歲了。這兩千多公里的往返，一晃就是十多年。何倫華不由地感慨，“最初為了孩子，我想過退出，但當(dāng)我想到老一輩科學(xué)家為了國(guó)家的犧牲精神時(shí)，我還是堅(jiān)持下來了。GPPD也像是我的孩子一樣，慢慢就舍不得離開了?！?/p>

　　2017年11月1日，中國(guó)散裂中子源終于迎來了為期10天的加速器、靶站、譜儀的首次聯(lián)合調(diào)試，“通用粉末衍射儀三個(gè)探測(cè)器均成功采集到樣品數(shù)據(jù)?！?018年1月22日，第二次聯(lián)合調(diào)試開始，其間，GPPD在有限時(shí)間內(nèi)通過周密細(xì)致的實(shí)驗(yàn)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(gè)用戶樣品實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)樣品為鋰離子電池新材料。通過結(jié)構(gòu)精修的結(jié)果，他們初步確定了該鋰離子電池材料中較輕的鋰與氧原子的位置和占位，與材料元素分析結(jié)果以及理論結(jié)構(gòu)模型吻合，證明了數(shù)據(jù)的高質(zhì)量和可靠性。何倫華也是該實(shí)驗(yàn)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(guó)散裂源的功率低一個(gè)量級(jí)，但GPPD的各項(xiàng)重要指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)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(shí)驗(yàn)評(píng)估會(huì)上，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所中子研究中心教授黃清鎮(zhèn)、北京大學(xué)物理學(xué)院教授楊金波等專家對(duì)GPPD評(píng)價(jià)道，GPPD譜儀的設(shè)計(jì)先進(jìn)合理，加工和安裝精度高，調(diào)試成功；譜儀總體性能指標(biāo)達(dá)到或超過任務(wù)書的要求。首期實(shí)驗(yàn)對(duì)7個(gè)典型多晶粉末樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明譜儀對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和磁有序結(jié)構(gòu)的測(cè)定、輕元素和相鄰過渡族元素的分辨、相變等信息的獲取準(zhǔn)確可靠，得到了用戶的高度認(rèn)可。

　　GPPD建成后在極短的時(shí)間內(nèi)就可以投入科學(xué)實(shí)驗(yàn)，這在其他國(guó)家是未曾出現(xiàn)的，一般情況下要經(jīng)過至少2~3年的調(diào)試時(shí)間。對(duì)此，CSNS國(guó)際評(píng)議會(huì)上，專家感嘆道：“不可思議”。

　　“這是因?yàn)榛A(chǔ)打得好?！焙蝹惾A透露，“我們所有的流程都非常嚴(yán)謹(jǐn)，所有的數(shù)據(jù)都確認(rèn)無誤后才開始下一步，因此極大地縮短了后期數(shù)據(jù)檢查確認(rèn)的時(shí)間?！?/p>

　　　用戶實(shí)驗(yàn)“供不應(yīng)求” 

　　據(jù)何倫華透露，目前國(guó)內(nèi)用戶的實(shí)驗(yàn)需求十分旺盛，僅今年下半年，申請(qǐng)機(jī)時(shí)的用戶就已經(jīng)超過100人次，但是我們沒有能力接受這么多的用戶需求，國(guó)內(nèi)相應(yīng)的譜儀還是太少了。

　　由于GPPD是主要滿足大多數(shù)用戶的“通用”型設(shè)備，而很多關(guān)鍵特殊領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)需要更有針對(duì)性的譜儀，基于這現(xiàn)狀，何倫華說，“針對(duì)一些‘卡脖子’的重要實(shí)驗(yàn)，我們正在對(duì)GPPD進(jìn)行相應(yīng)的改造，以滿足相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展?！?/p>

　　此外，何倫華表示，目前我國(guó)缺少譜儀科學(xué)家，除了相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展起步晚，經(jīng)驗(yàn)不足，人才待遇也是難以留才的重要原因。

　　譜儀科學(xué)家不僅需要多學(xué)科交叉融合的背景，與用戶的對(duì)接也至關(guān)重要。何倫華說，譜儀科學(xué)家要根據(jù)不同用戶的實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，同樣，對(duì)譜儀了解的用戶也會(huì)使溝通更加容易。

　?。ㄔd于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2019-08-08 第8版 裝備制造）