【四川日报】这个“超级显微镜”能窥探微观世界奥秘

　　中国绵阳研究堆。受访者供图

　　孙光爱团队正在调试中子自旋回波谱仪。受访者供图

　　彭述明

　　距离绵阳老城区数公里的石板垭，坐落着一个看起来很普通的院子。这里，正是我国现有建成时间最早、运行最稳定、应用成效最显著的大型科研设施——由中国工程物理研究院核物理与化学研究所（即“九院二所”，以下简称“二所”）研发建设的中国绵阳研究堆及其中子散射科学平台所在地。

　　近日，四川日报全媒体记者独家实地探访，揭开又一“四川造”大国重器的神秘面纱。

　　□四川日报全媒体记者徐莉莎

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　　为什么要掌握中子技术？它是打开物质内部世界大门的“钥匙”

　　“你知道光绪之死吗？”一见面，二所中子散射技术与应用研究室主任孙光爱就用这个看似八竿子打不着的案例向记者科普中子技术的应用。

　　1908年11月，时年38岁的光绪帝与慈禧太后相隔不到一天先后死去。时间如此“巧合”，百年来关于光绪帝是否被害而亡始终众说纷纭。100多年后，国家有关部门通过对光绪帝的头发、遗骨、衣物等进行检测化验，并从中发现了大量三氧化二砷，终于证实了“光绪帝系砒霜中毒死亡”的猜测。解答这一困扰史学界“百年之谜”的手段中，利用中子特性展开的活化分析功不可没。

　　“人的肉眼只能分辨0.1毫米以上的物质，比如茶杯的形状、色泽，但是要想不破坏茶杯，了解玻璃内部的核素成分、原子状态和排列情况，只能借助科学工具。然而，显微镜只能观察表面；X射线虽能穿透人体，但面对金属物件时穿透性不足。”孙光爱说，“而中子既是一种不带电的中性粒子，也是一种波，穿透能力强，对碳、氢、氮、氧等元素非常敏感。此外，中子有磁矩，因而能对磁性材料展开有效测量，且几乎是唯一的手段。”

　　利用中子测定物质结构和成分等特性的实验方法，就是中子分析技术。“好比用无数的弹珠撞击一组网格，有的弹珠穿过孔隙，有的被网弹射回来。通过探测器收集足够多弹珠的运动轨迹，再加以计算和分析，不但能反推出这张网的形状，还能检测出这些网格在不同温度、压力、运动状态下的运动形态。”孙光爱介绍。

　　中子能帮助人们将物质的内部世界“看得更清”。掌握了中子技术，就相当于手握打开物质内部世界大门的“钥匙”，能帮助孕育一大批实用型高新技术。如美国的橡树岭国家实验室，就是依托其对中子技术的研究，建设了纳米材料科学中心。

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　　中子技术有哪些应用?能预测航空发动机“心脏”的服役寿命

　　穿戴好防辐射服、手套、鞋套等，在孙光爱的带领下，记者走进二所。大厅中，一个通体黄色的巨大圆柱体，正上方有操作通道和平台——它像一只巨大的章鱼，通过管道连接着9个“触角”——包括5台精密热中子仪器、4台冷中子谱仪。它们共同构成了中子散射科学平台，科学家们正是通过这些设备，完成对各类物质的中子科学研究。

　　测定出食用盐在水中溶解度随压力的变化，打破人们对化学物质溶解度恒定的常规认识；在极端条件下造就有机物产生超导或金属化的“奇异现象”……如今，该中子散射科学平台已在多个前沿领域大显身手，尤其值得一提的是，它还曾助力新型航空发动机“心脏”——涡轮叶片的应力检测分析。据了解，中子散射科学平台的仪器可检测出发动机涡轮叶片不同位置的残余应力分布，既能反馈优化工艺参数、提高制造精度，还能预测该部件的服役寿命。

　　二所所长彭述明介绍，作为“超级显微镜”，该平台已经对外免费开放，2019年，二所对外合作的实验机构已达110余家，中子技术广泛应用于物理学、化学、生命科学等前沿基础领域以及核电、航空航天等高技术领域。

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　　哪怕是“小学生”为何也要坚持前行？要有“中国人自己的眼睛”

　　在绵阳中子散射科学平台建成前，国内科学家做中子科学实验，只能到国外同类机构。孙光爱回忆，那时去国外做实验，“经常排队大半年，实验一星期。”

　　从上世纪90年代开始规划，2000年正式开始建设，十年磨一剑，中国绵阳研究堆于2012年顺利通过国家验收。二所中子科学团队也同步开始中子科学谱仪的引进研发，这在当时还是技术领域的“无人区”。

　　二所反应堆技术和应用研究室主任唐彬回忆，研究堆工程建设期间，曾从国外引入了一个造价上亿元的冷中子源装置，然而外方团队调试时却发现装置内氢浓度超标。“外方专家一致认为夹层损坏，装置只有报废，因此放弃调试。”

　　“他们可以一走了之，我们不行。”关键时刻，在二所副所长钱达志的带领下，项目团队全流程梳理，一步步分析，最终找出问题并顺利解决。

　　“当时外方认为我们只是‘小学生’的水平，他们是‘大学生’，结果‘小学生’解决了‘大学生’的难题。”唐彬说。

　　2013年起，研究堆中子科学谱仪陆续投用，同时，其中的国产技术也不断迭代。目前，一期的国产替代率已达70%。“以前我们着重解决技术有无问题，现在考虑更多的是技术是否自主可控，能否在国际上实现部分领先。”孙光爱说。

　　据介绍，目前二所研制的关键器件指标，均已超越国际同行的最高水平，自主建设的二期8台谱仪正在顺利推进，预计将在1年内全部投入使用。届时，绵阳中子散射科学平台的终端谱仪将突破19个，具备系统完备的科学研究和多领域应用能力。

　　访谈

　　专访中物院核物理与化学研究所所长彭述明

　　我们的使命 是从0到1

　　谈起“卡脖子”技术，中国工程物理研究院核物理与化学研究所所长彭述明指了指鼻梁上的眼镜。“你看，就连我这个渐进镜片，国内也没有，还得靠进口。”

　　核科学研究贯穿了彭述明的大半生。北大毕业后进入二所，“自主创新”四个字更是浸润其职业生涯。记者与彭述明的对话，也从这四个字开始。□四川日报全媒体记者徐莉莎

　　中子研究并不遥远突破的“卡脖子”问题关乎大众健康

　　记者：依托中国绵阳研究堆建成的国内首个中子散射科学平台，二所开发了哪些“周边”？

　　彭述明：利用研究堆发展应用技术，是我们所的中心工作之一。

　　记者：能否具体科普下材料辐照考核与放射性同位素的研制、生产？

　　彭述明：先说材料辐照考核。因为核设施的很多结构材料及核燃料等，在工作中都处于极端条件环境，如高温、高压、强辐射，其投用前都要经过辐照考核。通俗而言，就是先把材料放进堆内“考试”，看看能否承受辐照环境的检验。

　　至于放射性同位素，则是目前医院核医学科展开疾病诊断、治疗与科学研究的基础。上世纪80年代，我国曾自主生产过同位素，但最近几十年，因为各种原因我国自主生产的医用同位素归零，很大程度依赖进口。2016年，我们从Na131I（碘化钠）口服溶液入手，利用研究堆小规模恢复生产；近3年逐渐扩大规模。去年，我们的供应量达到国内需求量的20%左右。换句话说，我们在一定程度上解决了这类药品的自主可控问题。

　　记者：突破了一个关乎大众健康的“卡脖子”问题？彭述明：这个项目已是2020年四川科技进步一等奖拟奖项目。此外，在核素研制上，我们也取得了最新成果，缩短了和欧美研究水平的差距。

　　核心技术要掌握在自己手里三分之一以上科研人员博士毕业

　　记者：核行业在各个行业中自主化率应该是最高的？彭述明：这个领域比较特殊，“卡脖子”是常态。关键核心技术不可能依靠别人，你要不来，买不到。因此，作为核科学领域的国家队之一，自主创新一直是我们的根本路径。

　　我们所一线科研人员600人左右，其中博士毕业生有200多人，创新是我们的责任。

　　记者：“卡脖子”的形势可能会更加严峻？彭述明：一方面，国际环境变化我们无法准确预判。另一方面，科学技术是动态变化的。我们现在落后的领域主要在高端装备、核心零部件、基础研究，如果不跟上，国外继续往前发展，差距还会进一步拉大。

　　比如疫情中暴露出的“呼吸机的关键零部件依赖于从欧洲和美国进口”问题，再比如我佩戴的眼镜镜片，这是一个变焦能力很强的渐进片，可以看近，也可以看远，这些国内也没有。

　　我们要继续开放合作，但也要有所警觉，一定要有自主可控的清单、自主可用的计划。

　　科学家的使命就是科技创新解决好从0到1的问题

　　记者：2020年是二所独立建所50周年，对于未来发展，二所有没有具体构想？

　　彭述明：基本目标是2030年左右，建成国内外核科技领域有重要影响力的创新型研究所；到2050年，希望能与国际水平相当，成为在核科技领域有重要影响力的国际一流研究所。

　　首先它一定是研究所，不是一个企业；希望到2050年，我们的研究创新能力，能在核科学和技术领域处于国际一流水平；另外要有一支具有国际水平的人才队伍。

　　记者：为什么强调是研究所不是企业？彭述明：这个问题非常重要。如果思考不清晰，就会把一个研究所和一个企业混为一谈。

　　过去我们做过一些转化尝试，发现在科技创新成果转化过程中，变成全链条服务，既要做科技创新、技术突破，还要做产品，甚至后期还要做企业、搞销售。但是回头来看，真正在科技创新这个阶段的贡献是有限的。

　　科学家就是做科技创新的，很多人不能、不会搞企业。我们在经历了“二次发展”以后反思总结——不能把产、学、研、用一体化变成一个研究所的使命。

　　现在国家有很好的科技转化平台，我们做好科技攻关，解决好从0到1的问题。当技术具备转化条件的时候，让企业接手去做定制、生产和服务。