东莞地下藏着国之重器 (东莞深藏地下的大国重器)

随着中国整体实力的提高,我们在极端科技方面也有了长足的发展,建设大科学装置是打造原始创新的国之重器,到目前为止我国已经先后投入运行和正在建设的大科学装置已经达到了50多个,在能源、材料以及生命等多项科学领域的布局框架也开始成型,而在这些装置中,有一项格外吸引中外专家的关注,如果说天眼是用来观察宇宙的超级望远镜的话,那么深藏在广东地下的这个科学装置就是一个超级显微镜,它可以为材料科学、生命科学等各类学科提供重要的平台,他就是散裂中子源。

东莞地下藏着国之重器,东莞深藏地下的大国重器

在中子未被发现之前,人类对于原子核内部的结构一无所知,自从发现中子以后我们才知道原子核是由质子和中子组成的,中子的发现为人类了解原子核内部打开了一扇大门,同时也开辟了原子能利用这条全新的道路,而利用高能质子束去轰击原子核,将中子从原子核中分离出来的装置就是散裂中子源,我国在2005年批准了建设散裂中子源的项目,有中国科学院和广东省政府于2011年10月20日共同开始建设,2017年8月中国散裂中子源首次打靶成功,2018年3月散裂中子源建设完成,同年8月完成国家验收,9月底中国散裂中子源面向国内外用户开放使用,这标志着中国成为继英国、美国、日本之后世界上第四台散裂中子源的拥有国,而中国散裂中子源不但填补了我国脉冲中子源以及相关应用领域的空白,同时也为中国的物质科学、资源环境、新能源以及生命科学提供了基础研究和高新科技研发提供了强有力的平台,他将大幅度的提高中国基础科学研究的水平。

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其实中国散裂中子源就是要通过离子源产生负氢离子,利用直线加速器辅助的质子同步加速器,将这些离子加速到80兆电子伏,将他们剥离成为质子以后输送到一台循环同步加速器上,将其加速到1.6吉电子伏的能力以后打向钨靶,然后在钨靶上发生裂变反映而形成中子,最后将中子引入仪器以供科研人员开展研究,这一切说起来复杂,其实道理却非常简单,就是利用散裂中子源这台大型设备将离子加速到接近光速的程度,并让这些微观粒子和特定目标产生撞击,在撞击的过程中离子的原子核会被撞碎,内部的中子等物质将会被分离出来,通过这样的方式就可以探索原子核最深处的秘密了,有熟悉小说三体的观众,一定对外星人使用智子进行干扰和破坏的就是这种设备。

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在科学诞生之前人类使用肉眼来观察世界的,随后科学家发明了光学显微镜,人类第一次可以观察到以往肉眼无法直接观测的微观世界,而电子显微镜更是比光学显微镜的分辨率提高了足足1000倍,这也使得人类可以观察到更加微小的病毒,而散裂中子源就是更为先进的超级显微镜,是观察物质本源的科学设备,中子散射是目前探索物质微观结构最为有效的手段之一,中子具有波粒二象性,也就是说既有具有粒子可以单射和散射的性质,同时也有波的性质可以经行吸收、反射、折射以及衍射,而且由于中子不带电,不容易受到带电质子以及电子的阻碍,利用中子束达到研究对象的原子核上的相互作用,计算其运动方向发生的变化就可以精确地反推出物质的结构,看到这的观众朋友可能会疑惑,这东西这么复杂高端,就没有什么应用到日常生活的例子吗?其实不然别看散裂中子源非常高大上,但是他的应用领域却是实打实和我们生活息息相关的。

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收一个我们比较熟悉的东西汽车,虽然现在大部分汽车要么是使用汽油要么就是使用电能,但其实还有一个氢动力汽车,而想要实现这一技术的应用最为关键的就是解决氢气稳定存储的问题,目前可以想到的方法之一就是利用有机框架将氢气吸进去,等到需要的时候再将氢气释放出来,而散裂中子源就可以帮助科学家研究氢气存储在氢气的什么位置以及在什么情况下可以更好更快地释放出来,现如今对于氢动力汽车有所研究的就是日本,而日本真是拥有散裂中子源四个国家中的一个,虽然着并不是一个世界主流的研究方向,当时日本可以一意孤行的研究氢动力汽车和其本身就拥有散裂中子源也脱不开关系。

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除了氢动力汽车以外散裂中子源还是锂电池研究的利器,锂电池早已经渗透到了我们生活的方方面面,小到手机大到汽车,一系列的电子产品都离不开锂电池,但是目前锂电池却并不能满足我们的需求,随着手机等便携设备的性能越来越出色,对于电量的需求也越来越高,但是目前的锂电池不但体积庞大而且还有着诸多不足,可以说目前锂电池的瓶颈严重的限制了科技产品的形态,一旦锂电池的问题得以解决,移动便携设备的体积将大幅度缩小,这还仅仅是手机等设备,而作为下一个个风口的电动汽车领域,电池更是极为主要的,大幅度提高锂电池的性能就是推动电动汽车发展的关键,有了散裂中子源的帮助我们就可以将汽车的锂电池连同模拟充放电的设备一起放入散裂中子源中,实时观察在成百上千次的充放电过程中,锂电池究竟发生了那些变化,锂电池的各个部位性能衰减的情况,然后就可以经行专项且有针对性地改进和优化,这样的数据是极为重要的,目前人类还没能发现更为优秀的储电载体以前,谁能对锂电池经行更好的优化的调整谁就能赢得市场,而电池对于电动汽车来说就是至关重要的,其实利用散裂中子源对锂电池经行研究的事情国外早就干过,而且还成立了专门研究锂电池的谱仪,但是对于各项数据国外机构是严加保密,当然了保密也是无可厚非的,毕竟这将关乎到企业的发展,是国家实力体现的一部分,但是这却让我国的车企以及锂电池相关企业非常被动,但是自从我国有了散裂中子源以后,这一情况将得到彻底改善,凭借这散裂中子源这一利器再加上我国科研人员的努力,我国同样可以制造出性能优异的锂离子电池,除了电池以外可燃冰、化学反应催化剂的原位研究等等都需要用到散裂中子源。

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自从中国的散裂中子源启动运行以来,国内外的很多用户都非常踊跃,这可以帮助中国吸引更多的国外优秀科学家,这也是大科学装置综合效益的一种体现,在第一轮我国就收到了62项的课题申请,其中既有合金、纳米、生物学也有磁性、能源、高分子,经过专家的评审其中一共有32项用户课题得到了批准,其中27项是国内用户的课题,5项是国外用户的课题,为了能更好的开展中子散射研究,中国散裂中子源还举办了中子科学与技术在电池领域中的应用前沿研讨会,散裂中子源在催化、能源、材料及相关过程的应用前沿研讨会等等多项专题会。

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在之前我们国家没有散裂中子源,很多不得不使用散裂中子源的项目都得去国外去做,但是由于资源的短缺经常要排队,排队几个月的情况经常发生,美国、英国、日本三国虽然有散裂中子源,但是人家也需要优先满足自身的需求才能将剩余得空闲时间分配给其他国家,就算美国、英国、日本能够一视同仁,但同样将对项目的进程造成严重的影响,现在就不一样了,我国有了散裂中子源以后不但可以满足我们自己的使用,同时也可以提供给世界各国的科学家进行使用,这不但是大国实力的体现,同时也可以利用散裂中子源来吸引一大批的优秀科学家来到中国,可以说是面子里子都赚到了,自从有了散裂中子源以后我国的科学产出效率得到了显著的提高,甚至远超美国和日本,我国还在补充建设更多的散裂中子源实验终端,做到尽可能多的覆盖领域,预计在2030年我国的应用科学领域将会全面进入到世界顶尖行列,可以说散裂中子源这样的大国重器为我国带来的好处的多种多样的,相信未来在散裂中子源的帮助下中国会发表更多举世瞩目的科学技术,中国的崛起带来的好处也将在方方面面影响我们的生活,让我们拭目以待吧,本期视频就到这里,喜欢的话可以长按点赞加关注我们下期再见。