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央視聚焦東莞中國散裂中子源:二期工程準(zhǔn)備工作全部就位,即將開始加速跑

12月28日,央視播出《2023我們一起走過·國之重器硬核所在·中國散裂中子源》節(jié)目,聚焦中國散裂中子源在原始創(chuàng)新取得的豐碩成果。

根據(jù)節(jié)目報道,中國散裂中子源二期工程關(guān)鍵加速器核心設(shè)備擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán),整體國產(chǎn)化率接近100%。二期工程的前期準(zhǔn)備工作已全部就位,即將開始加速跑。

速調(diào)管研制成功,散裂中子源開啟加速跑

根據(jù)節(jié)目報道,在即將結(jié)束的2023年,中國散裂中子源運行超過5000小時,在新能源、合金、高分子、信息材料等領(lǐng)域創(chuàng)造出一批源頭創(chuàng)新成果。

為了滿足更多更高的用戶需求,中國散裂中子源二期工程建設(shè)也即將啟動,關(guān)鍵設(shè)備的研制目前正在緊張進行中。

在散裂中子源科學(xué)中心的實驗室里,近日成功研制的關(guān)鍵核心設(shè)備——首臺全國產(chǎn)化P波段大功率速調(diào)管,經(jīng)過連續(xù)24小時無故障運行,全部性能指標(biāo)均達到或超過設(shè)計要求,順利通過驗收。至此,中國散裂中子源二期工程關(guān)鍵加速器核心設(shè)備都擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán),整體國產(chǎn)化率已接近100%。

“速調(diào)管功率源由多個關(guān)鍵部件和系統(tǒng)組成,用于將電功率轉(zhuǎn)化為高頻微波功率,為粒子束流提供加速動力。它是中國散裂中子源二期工程中,加速器打靶束流功率從100千瓦提升到500千瓦的關(guān)鍵設(shè)備之一。”中國散裂中子源科學(xué)中心加速器技術(shù)部副主任劉華昌在接受央視采訪時表示。

據(jù)悉,大功率速調(diào)管這種電真空器件,零部件數(shù)以百計,涉及多個學(xué)科領(lǐng)域。從研制到安裝,每一個環(huán)節(jié)都必須精確無誤。高通過率電子光路要求傳輸效率達到100%,所有零部件的安裝精度要控制在20個微米之內(nèi),這個數(shù)值只有人頭發(fā)絲直徑的1/4。

讓劉華昌這些研發(fā)人員記憶最深的是,速調(diào)管的真空標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的千億分之一。這對大尺寸銅腔的焊接材料和技術(shù)是一個嚴峻的挑戰(zhàn),稍有不慎,就容易頻繁出現(xiàn)打火現(xiàn)象,輕則影響裝置的穩(wěn)定運行,重則導(dǎo)致整個功率源設(shè)備的損毀?!?/span>

“我們反復(fù)進行了實驗驗證,幾個月,經(jīng)歷了幾十次、上百次的實驗,選擇了焊料?!敝袊⒘阎凶釉纯茖W(xué)中心加速器技術(shù)部副主任劉華昌表示。

中國科學(xué)院高能物理研究所科研團隊和上下游企業(yè)通力合作,一道攻堅克難,最終圓滿完成了研發(fā)試制任務(wù)。中國散裂中子源二期工程的前期準(zhǔn)備工作已全部就位,即將開始加速跑。

中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、中國散裂中子源二期工程總指揮王生表示,二期工程會把散裂中子源最主要的技術(shù)指標(biāo),就是質(zhì)子束流的功率提升5倍,使它的研究能力大大提升,同時會新建9臺中子譜儀。二期工程全部完成以后,散裂中子源的研究能力已經(jīng)基本覆蓋了所有的中子散射應(yīng)用領(lǐng)域。

中國散裂中子源譜儀大廳,原始創(chuàng)新新高地

中國散裂中子源由直線加速器、快循環(huán)同步加速器、靶站以及中子散射譜儀等部分構(gòu)成,其中加速器部分都在13米到18米的地下。地面之上的譜儀大廳,就是科學(xué)家的云集之地。年終歲末,來自全國各地的科學(xué)家依然在這里進行最前沿的科技攻關(guān)。

在節(jié)目中,來自東北大學(xué)的高建榮團隊與散裂中子源的譜儀科學(xué)家一起,正在為即將開始的高溫合金定向凝固原位中子衍射實驗做最后的準(zhǔn)備。

“我們這個實驗涉及高溫真空環(huán)境,要研究高溫合金,就是做飛機發(fā)動機葉片的那種金屬材料,從液體變成固體的過程當(dāng)中,它的缺陷是如何形成的?!备呓s表示。

航空發(fā)動機被譽為現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”,而“皇冠上的明珠”是指航空發(fā)動機上的葉片。當(dāng)前,我國雖然也能生產(chǎn)航空發(fā)動機葉片,但多年來質(zhì)量和性能仍有待提高。

高建榮在節(jié)目中表示,航空發(fā)動機葉片為空心結(jié)構(gòu),材料特殊,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,要想提高國產(chǎn)飛機葉片的質(zhì)量和制造效率,首先必須對材料有充分認識。早在五年前,他就開始構(gòu)思利用中子穿透性強的特點,進行高溫合金定向凝固的原位觀測實驗。

“這種實驗包括相關(guān)的設(shè)備研制應(yīng)該說是非常有挑戰(zhàn)性。高溫合金在模殼內(nèi)融化,而且在這個里面垂直方向上運動,我們在整個生長過程中間,我們是不是都能夠獲得可靠的數(shù)據(jù),這是高老師非常擔(dān)心的事情?!敝袊⒘阎凶釉纯茖W(xué)中心副主任梁天驕表示。

根據(jù)節(jié)目,散裂中子源的譜儀科學(xué)家設(shè)計了幾個分解實驗,來驗證定向凝固設(shè)備的中子衍射實驗可行性,支持高建榮將更多的時間精力用于設(shè)備的研發(fā)上。半年后,高建榮得到驗證實驗成功的消息。

2018年,中國散裂中子源正式投入運行,使我國成為世界上第4個擁有脈沖式散裂中子源的國家。散裂中子源從2018年一期工程完成三條譜儀建設(shè)后,近五年來又跟高校、科研機構(gòu)等展開合作,先后啟動了八條譜儀的建設(shè)。如今的譜儀大廳里,圍繞著靶站,五顏六色的混凝土模塊搭建起各具功能和特色的譜儀。每個色塊搭建的空間就是一個實驗站,為我國在磁性材料、高效催化劑、金屬玻璃、高分子聚合物等諸多領(lǐng)域的研究提供了重要的實驗平臺。

四面出擊,中國散裂中子源結(jié)出累累碩果

局節(jié)目報道,散裂中子源是探索物質(zhì)微觀世界的超級顯微鏡,圍繞著靶站的一條條譜儀就是一個個不同的“鏡頭”,滿足不同學(xué)科、不同方向的科研需求。2023年,依托散裂中子源產(chǎn)出了一批又一批的原創(chuàng)成果,也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了源頭動能。

大氣中子譜儀是散裂中子源今年新運行的一臺譜儀,它可以加速模擬宇宙射線打到大氣層產(chǎn)生的中子輻照環(huán)境。過去,我們在大氣層內(nèi)與地面的很多電子元器件的失效,都跟大氣中子的這種輻照有關(guān)系,特別是航空領(lǐng)域,電子設(shè)備失效的問題更為關(guān)鍵。

“在實驗室正常的情況下去找,可能他們做了十幾萬個小時都找不到原因。但是在我們這里面,我們可以用10的8次方速率加速它,就是以1億倍的速率,我在這做一分鐘,相當(dāng)于我做了1億分鐘。所以在我們這很快就定位了故障,就可以去加固它。加固之后再用我們的檢測發(fā)現(xiàn)定位很準(zhǔn)確,加固的效果也很好。”中國科學(xué)院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮王生在接受采訪時表示。

根據(jù)報道,2023年,依托中國散裂中子源,在新能源汽車領(lǐng)域,通過原位觀察鋰電池的充放電過程,首次發(fā)現(xiàn)了電池在充放電過程碳鋰化合物的一種不均勻現(xiàn)象,顛覆了業(yè)內(nèi)對此的認識,為鋰電池的性能改進和提升開拓了新視野。

在工程領(lǐng)域,完成了國產(chǎn)高鐵車輪的原位應(yīng)力測量,首次給出高鐵車輪完整的應(yīng)力數(shù)據(jù)。為國產(chǎn)高鐵車輪的安全性評價,以及使用壽命的正確判斷,提供了非常重要的數(shù)據(jù)支撐。

“散裂中子源現(xiàn)在每年開放的時間是世界上最長的,開放5300個小時,全年無休。到明年中子譜儀會增加到11臺全部開放,這使我們的研究能力會有很大的拓展。”王生表示。

根據(jù)節(jié)目報道,散裂中子源自投入運行以來,已累計完成10輪開放運行,年均開放機時超過5000小時,注冊用戶已達5000多個。2023年全年完成376項用戶實驗,其中有多篇學(xué)術(shù)論文在國內(nèi)外一線學(xué)術(shù)期刊發(fā)表,遠超國外散裂中子源相同階段的成果產(chǎn)出水平。在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等眾多領(lǐng)域產(chǎn)出了一批重大原創(chuàng)成果。

此外,二期工程建設(shè)即將正式啟動,未來譜儀數(shù)量將增加到20臺,加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦,大大提高實驗精度和速度。屆時,散裂中子源將測量更小的樣品,研究更快的動態(tài)過程,為我國高水平科技自立自強作出更多更大的貢獻。