[数码相机]“超级相机”，为微观世界拍高清“纪录片” [复制链接]

不久前，在位于广东东莞的中国散裂中子源，我国首台高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪正式完成验收并交付使用。这台由中山大学和散裂中子源科学中心联合研制建设的大型科研仪器，用于观测物质微观世界的结构与动力学性质，填补了我国百毫电子伏以上非弹性中子散射的空白。

　　“如果把常规的科学仪器比作人眼，那么这台谱仪就是一台‘超级相机’，能够精准捕捉物质内部原子、分子在皮秒（万亿分之一秒）时间尺度下的动态，记录下原子和分子振动、旋转、传递能量的微观过程。”建设团队成员、中山大学物理学院副教授刘新智说，“就像是为物质微观世界拍高清‘纪录片’。”

　　“超级相机”如何让微观世界纤毫毕现？刘新智介绍，这台“超级相机”的工作原理是通过测量物质的自旋波和声子谱等动力学性质，研究构成物质的原子之间微观相互作用。因此，科学家并非使用仪器直接观测成像，而是利用中子不带电、穿透力强的特性，探测物质内部的微观运动——当中子与物质中的原子核或电子发生“非弹性碰撞”时，中子会改变速度与方向，通过这些变化可以反推出物质内部的动态信息。

　　中山大学物理学院副院长王猛介绍，这台谱仪可以获取散射后中子的空间分布信息和能量变化，在动量与能量空间测量物质微观结构的动力学行为，确定材料内部磁性原子关联强度，为物理、化学、生物、材料等学科的前沿基础研究提供支撑平台。

　　“借助它独特的洞察力，科学家将进一步看清前所未见的微观世界。”王猛介绍，在高温超导研究领域，这台谱仪能够精确测量超导体中的自旋涨落，测量超导材料的声子谱态密度，为揭示高温超导机理提供关键实验证据；在能源材料领域，这台谱仪可以测量热电材料声子谱的空间分布，为设计更高性能的热电材料提供指导；在生物医药领域，通过中子散射技术，科学家能够在更接近生理环境的条件下研究生物分子的运动，为新药研发开辟新途径。

　　这台大国重器的建造过程殊为不易。中山大学副校长郑跃介绍，2017年，中山大学与中国科学院高能物理研究所签署战略合作协议，经过两年的论证和预研，确定建设中国首台高能非弹性中子散射谱仪，并于2019年启动建设；多个专业技术组通力协作，自研攻克中子斩波器、超大型真空散射腔等关键部件；2023年1月，成功在谱仪上输出中子，随后谱仪进入带束调试阶段，并在当年测得标准样品钒的声子谱，采集首个非弹性散射信号。

　　王猛介绍，经过两年多的调试，这台“超级相机”的各项指标均已达到国际领先水平。利用费米斩波器和带宽斩波器协同工作，可实现多波长模式和单波长模式的快速切换；谱仪提供的高低温环境和磁场环境可以覆盖绝大多数的非弹性中子散射实验场景。

　　这台“超级相机”将面向国内外研究人员开放使用，服务国家战略需求，培养一流专业人才。目前建设团队已启动了谱仪样品多场耦合加载分析模块的研制，该项目已获得国家重大科研仪器研制专项的支持。

我国首台高能非弹性中子散射谱仪：揭秘微观世界的“超级相机”

仪器概况与意义
近日，我国首台高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪在广东东莞的中国散裂中子源正式完成验收并交付使用。这台由中山大学和散裂中子源科学中心联合研制的大型科研仪器，主要用于观测物质微观世界的结构与动力学性质，填补了我国百毫电子伏以上非弹性中子散射的空白。它的建成标志着我国在中子散射技术领域迈上了新的台阶，为多学科前沿研究提供了强大的支撑平台。

“超级相机”的独特优势
建设团队成员、中山大学物理学院副教授刘新智将这台谱仪比喻为“超级相机”，其核心优势在于：
- 超高速动态捕捉能力：能够精准捕捉物质内部原子、分子在皮秒（万亿分之一秒）时间尺度下的动态过程，记录原子和分子振动、旋转、传递能量的微观细节，堪称物质微观世界的“高清纪录片”。
- 非侵入式探测：利用中子不带电、穿透力强的特性，可深入物质内部，不受样品表面或宏观结构干扰，直接探测原子级别的微观运动。

工作原理：中子散射的“侦探术”
这台“超级相机”的工作原理基于中子散射技术：
1. 中子产生与加速：中国散裂中子源通过高能质子束轰击钨靶，产生大量中子。
2. 非弹性碰撞：当入射中子与物质中的原子核或电子发生“非弹性碰撞”时，中子会改变速度和方向。这种能量和动量的交换携带了物质内部原子运动的信息。
3. 信号分析：通过测量散射后中子的空间分布信息和能量变化，反推出物质的自旋波、声子谱等动力学性质，进而研究原子间的微观相互作用。

中山大学物理学院副院长王猛指出，谱仪可在动量与能量空间测量物质微观结构的动力学行为，确定材料内部磁性原子关联强度，为多学科研究提供关键数据。

应用领域：服务国家战略与前沿科学
这台谱仪的应用前景广阔，尤其在以下几个领域将发挥重要作用：

1. 高温超导研究
- 关键作用：精确测量超导体中的自旋涨落和超导材料的声子谱态密度。
- 意义：为揭示高温超导机理提供关键实验证据，推动高温超导材料的研发与应用。

2. 能源材料领域
- 具体应用：测量热电材料声子谱的空间分布。
- 价值：指导设计更高性能的热电材料，提升能源转换效率，助力节能减排。

3. 生物医药领域
- 独特优势：在更接近生理环境的条件下研究生物分子的运动。
- 潜力：为新药研发开辟新途径，帮助理解疾病机理和药物作用机制。

此外，在量子磁性、拓扑材料、量子计算等领域，该谱仪也将发挥“中子眼睛”的作用，助力科学家探索未知的物质世界。

建造历程：八年攻关铸就大国重器
这台谱仪的建造过程充满挑战，历时多年终于建成：
- 合作起点：2017年，中山大学与中国科学院高能物理研究所签署战略合作协议，启动项目论证和预研。
- 正式建设：2019年通过可研评审后正式启动建设。
- 关键技术突破：自研攻克了费米斩波器、超大型真空散射腔等关键部件。其中，费米斩波器因国外技术封锁曾遭遇货期延误一年多，科研团队最终自主研制成功，填补国内空白。
- 重要里程碑：2023年1月成功输出中子；同年6月测得标准样品钒的声子谱，标志着建设成功；经过两年多调试，各项指标达到国际领先水平。

性能指标与未来展望
王猛介绍，谱仪的各项指标已达国际领先水平：
- 实现多波长模式和单波长模式的快速切换。
- 提供高低温环境和磁场环境，覆盖绝大多数非弹性中子散射实验场景。

未来，这台“超级相机”将面向国内外研究人员开放使用，服务国家战略需求。建设团队已启动谱仪样品多场耦合加载分析模块的研制，并获得国家重大科研仪器研制专项支持。此外，中国散裂中子源二期工程也在推进，计划将束流功率提升至500千瓦，并新建更多谱仪，进一步增强我国在中子科学领域的研究能力。

总结
我国首台高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪的成功验收交付，不仅是我国大科学装置建设的重要成就，更是探索物质微观世界的“利器”。它如同一台能够拍摄原子运动“纪录片”的超级相机，将为高温超导、能源材料、生物医药等领域的研究提供前所未有的洞察力。随着其开放共享和持续升级，这台大国重器必将在推动原始创新、服务国家重大战略需求方面发挥越来越重要的作用。

我国自主研发的高能非弹性中子散射飞行时间谱仪，被科学家形象地称为“超级相机”，它能够以超高时空分辨率记录物质内部原子与分子的动态行为，相当于为微观世界拍摄高清“纪录片”。其核心原理和应用价值如下：

一、工作原理：捕捉原子级动态
中子探测技术
利用中子不带电、穿透力强的特性，使其深入物质内部。当中子与原子核或电子发生“非弹性碰撞”时，通过精确测量碰撞后中子的速度与方向变化，反推出原子/分子的振动、旋转及能量传递过程，时间精度达皮秒级（万亿分之一秒）213。

多维度动态解析
可同时获取散射中子的空间分布与能量变化信息，在动量与能量双重维度构建物质微观结构的动力学模型，揭示磁性原子关联强度等关键数据315。

二、技术突破：国际领先的“微观摄影”能力
超高速切换模式
通过费米斩波器与带宽斩波器协同，实现多波长/单波长模式的快速切换，适应不同实验场景需求15。
超大探测面积
独有的白光劳厄相机工作模式，可高效捕捉单晶材料的结构与磁结构信息，大幅提升数据采集效率1214。
极端环境适配
支持高低温与强磁场环境，覆盖绝大多数非弹性中子散射实验条件23。
三、应用场景：推动多学科前沿研究
高温超导机制
精确测量超导体中的自旋涨落与声子谱态密度，为破解高温超导机理提供关键实验证据217。
能源材料优化
分析热电材料声子谱的空间分布，指导高性能热电材料设计，提升能源转换效率313。
生物医药研发
在接近生理环境的条件下研究生物分子运动，为新药开发开辟新途径24。
量子与磁性研究
解析量子磁性作用机制、电池离子扩散过程等，助力新型功能材料开发1215。
四、战略意义：大国重器的开放共享
该谱仪作为国家重大科技基础设施，填补了我国在百毫电子伏以上非弹性中子散射领域的空白1317，指标达国际领先水平。未来将面向全球科研人员开放，支撑物理、化学、材料、生物等学科突破，服务国家战略需求与高端人才培养215。

💡 微观世界的“导演”视角：这台“超级相机”不仅记录静态结构，更以“帧级”精度还原原子运动的动态叙事，使科学家得以“观看”材料内部的能量传递、结构演变等微观“剧情”，为科技创新提供前所未有的洞察力。