被称为核能超级显微镜的中子谱仪由上海交通大学团队自主研发升级，终于面世，这台由交大自主设计研制的超长多模式中子小角散射谱仪“洛书”（简称“洛书”谱仪）已于2024年10月28日顺利通过技术验收。我国首台冷中子高分辨工程应力谱仪“河图”也是由上海交通大学自主设计研制，于2022年初通过验收并正式运行。
新一代中子谱仪“洛书”的量程、瞬时量程、谱仪全长等关键指标均直指世界第一，测量范围覆盖从微米到亚纳米量级的测量范围，相当于普通人头发丝直径的百分之一到十万分之一。由上海交通大学巴黎卓越工程师学院、材料科学与工程学院双聘教授、中子科学与技术全国重点实验室副主任钟圣怡担任首席科学家与建设负责人。
据钟圣怡介绍，“河图”谱仪主要针对工程项目，比如对于重大工程部件的服役性损伤进行无损检测等，最简单的例子，检测航天飞机发动机的磨损情况、核反应堆部件的磨损情况和寿命等；而“洛书”谱仪除了具备为工程项目服务的能力之外，更多面向科学研究，比如，为新材料的研发加速，这将成为基础科学研究的重要支持工具。同时，“洛书”谱仪还将进行升级，预计将在明年底前完成二期的升级计划，性能和技术量级将进一步升级。
这一重大科研项目的推进，标志着我国在高端中子科学仪器领域再次取得了重大突破，将大力推动中子技术在航天航空、核电能源、化学化工、生物医学、高铁船舶以及基础研究领域的应用，助力突破工程技术瓶颈，探索前沿科学疆界。
核能超级显微镜，守护工程安全的大科学装置
当人类面临生病、受伤或需要体检时，医院里的X光片为我们提供了透视人体组织、诊断潜在疾病的独特视角。然而，当飞机、高铁等承载着无数生命安全的工程部件受损或需进行精密检测时，X射线却显得力不从心，因为它无法穿透厚重的金属。此时，一种名为“中子”的特殊粒子，成为了工程部件的“专属医生”。
相比X射线，中子拥有更强的穿透力（X射线的千倍以上），能够轻松穿越航空发动机、核反应堆构件、高速列车轮毂等关键工程部件，深入探测内部细微缺陷，确保这些关键组件在使用过程中的可靠性。此外，中子还能识别不同的同位素和磁结构信息，这使得它能够在静态结构和动力学研究中发挥双重作用。对于新型能源材料、高性能结构材料、生物材料等先进材料，中子散射技术能够对其微观结构进行精确的分析与研究，为材料科学的进步提供有力支持。
尤其值得一提的是，中子对氢原子具有独特的敏感性。在氢动力汽车领域，中子散射技术可以帮助科学家精确定位氢气在金属中的位置和释放条件，从而提高氢动力汽车的效率和安全性。同时，在生物制药领域，中子散射技术更是展现出了其非凡的能力，它能够清晰展示蛋白质的内部结构，揭示生命的奥秘。
中子散射技术就像是一台核能超级显微镜，它以其独特的视角和强大的功能，成为了探索物质微观结构的有力手段。
在国际上，中子散射技术已经在诸多领域发挥了不可替代的作用。在世界范围内，高铁轮毂破裂出轨、客机发动机叶片与机身蒙皮的断裂脱落，这些严重事故给人类带来了惨痛的教训。科学家们在事后利用中子散射技术，对这些破损的工程部件进行了深入诊断，揭示了问题的根源，并对加工制造流程进行了改进，从而有效避免了类似安全事故的再次发生。
近年来，在国家的大力支持下，我国的中子科学也取得了突飞猛进的发展。上海交通大学自2018年起，便自主设计并建设了先进中子散射材料表征平台，致力于推动中子谱仪技术及中子应用科学的发展。
破解工程难题提升关键技术指标
河图与洛书的命名来自于我国传统文化，它们不仅是周易八卦的前身，更象征着古人理解世界万物因果规律的智慧。2019年，在上海交通大学“双一流”建设项目的支持下，上海交大对接国家重大工程亟需与前沿科研发展需求，建设国际顶尖的中子科学平台。中子科学平台依托中国绵阳研究堆，建设了两台先进中子科学谱仪“河图”和“洛书”。
“河图”谱仪已于2022年初通过验收并正式运行。它的关键技术指标在全球同类型装置中处于国际先进水平，尤其在谱仪分辨率和应变测试分辨率等核心指标上，更是达到了国际领先的地位。“河图”谱仪应用广泛，能够对航空发动机单晶叶片、核反应堆结构件、深海压力容器、半导体晶圆等关键工程构件进行无损定量测试，为这些构件的服役安全评价和寿命预测提供强有力的科学支持。
继“河图”之后，最新建成的“洛书”谱仪，以其超过46米的长度，成为全球中子小角散射领域的巨无霸。“洛书”谱仪还全球首创了三探测器系统，能够在同一时间探测到纳米至微米级结构的变化，这对于理解物质微观演化规律、开发新型高性能材料具有重大意义。
在推动中子科学发展的道路上，研究团队遭遇了多项关键技术挑战的考验。尤为值得一提的是，“洛书”现今引以为傲的46米谱仪长度，实则是历经一次重大革新后的成果。
起初，受限于物理环境，“洛书”谱仪的设计蓝图定格于39米。然而，研究团队并未止步于此，他们深入探索，广泛搜集来自不同科研领域的测试需求，并通过一系列严谨而细致的迭代论证过程，敏锐地意识到39米的谱仪设计尚无法全面覆盖若干至关重要的科研探索领域。面对这一发现，团队成功破解了技术升级过程中的重重难关，最终实现了谱仪长度的飞跃性增长，通过对中子环境进行重大升级改进，使谱仪总长达到46米，极大地拓宽了量程范围。这不仅大幅提升了“洛书”的性能，更为中子科学领域的发展注入了强劲的新动力。未来，随着“河图”与“洛书”谱仪的深入应用，我们有理由相信，它们将在推动科学探索与工程应用方面发挥更加重要的作用。
在科技日新月异的今天，拥有超长中子谱仪无疑意味着在中子科学领域迈出了坚实的一步。这一稀缺资源不仅将连接重点关键企业与上海交通大学，更将在支撑国家重大工程技术攻关方面发挥着不可替代的作用。从航天航空的翱翔天际，到核电的清洁能源供给；从生命医学的深入探索，到深海的未知挑战；再到高铁的疾驰如风，中子谱仪都在其中扮演着举足轻重的角色。
围绕先进中子测试的关键技术，通过中子谱仪的高效利用，科学家们将继续展开全面攻关，孵化原创新、高水平成果，打破学科壁垒，推动中子技术在各领域的发展与应用，为解决国家工程难题、探索前沿科学提供坚实的技术支持。
作者：姜澎
文：姜澎图：受访者供图编辑：吴金娇责任编辑：樊丽萍
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