中子科学平台及其在先进材料研究中的科学前沿和重大需求

——香山科学会议第469次学术讨论会综述

中子与同步辐射的X射线互补,是探索物质微观结构的有力手段之一。中子不带电,具有磁矩,仅与材料中原子核和磁矩发生相互作用,热中子能量与凝聚态物质中的绝大部分相互作用能量相当,因此,中子探针能分辨轻元素、同位素和近邻元素,穿透性强,在结构研究方面不仅可以弥补X射线的不足,而且迄今为止在磁结构、原子分子动力学特性方面的研究是其他方法不能代替的。中子散射技术在新型能源材料、磁性与超导材料、工程材料及聚合物与生物材料等先进材料研究前沿领域有着广泛的应用。

当前国际上中子散射技术的研究进入了飞速发展的阶段,其发展不仅对提高国家整体科研实力产生影响,而且已经成为衡量国家综合科技实力的重要标志。产生高通量中子的中子源主要包括核反应堆和散裂中子源:反应堆中子源不仅分布在美、日、法、德等西方发达国家,还包括印度、印尼等发展中国家;世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有美国的SNS和LANSCE、日本的J-PARC和英国的ISIS。进入二十一世纪,我国中子散射研究迎来了快速发展的机遇。我国首座散裂中子源(CSNS)项目已于2011年9月在东莞正式开工建设,工程计划2017年9月开始试运行,2018年03月工程验收。其高通量、宽波段、优异的脉冲时间结构,将为高通量、高分辨的中子散射研究带来新的契机。位于北京的中国原子能科学研究院的中国先进研究堆(CARR)的中子散射科学平台“一期”7台谱仪已经成功完成带束热调试,预期到2015年通过全面验收。位于四川绵阳的国家核技术工业应用工程技术研究中心的研究堆(中国绵阳研究堆)一期6台谱仪将于今年底前建成,反应堆对国内中子用户已经开放。当前国内对中子散射研究的需求和中子散射装置发展都很快,进一步促进中子散射技术在材料科学研究和生产中的应用,规划和推动具有特色和国际竞争力的中子散射谱仪的建设,成为该领域的重大课题。

2013年10月15-16日,主题为“中子科学平台及其在先进材料研究中的科学前沿和重大需求”的香山科学会议第469次学术讨论会在北京香山饭店召开。会议聘请中国科学院高能物理研究所陈和生研究员、中国科学院物理研究所陈立泉研究员和沈保根研究员、中山大学许宁生教授、中国原子能科学研究院张焕乔研究员担任实行主席。来自全国13个单位的35位工作在中子散射科学和先进材料研究前沿领域的专家学者应邀参加了会议,与会专家围绕“中子散射平台与方法”、“能源、工程材料与中子散射”、“磁性、超导与中子散射”、“软物质生物材料与中子散射”等中子散射在先进材料研究中的应用领域的关键问题展开了深入讨论。

一、中子散射在先进材料研究中的应用

鲍威教授作了题为“中子散射在先进材料研究中的应用”的主题评述报告。随着足够通量的中子束流的实现,中子散射于1940年代开始成为物质结构、磁序、结构与磁相变,以及凝聚态物质元激发谱研究的重要实验手段。报告重点先容了这一不可替代的重大研究手段在先进材料研究中的运用,比较了中子、X射线和电子用于材料结构研究方面的特点和不同,分别从高穿透性、对轻元素敏感、分辨同位素、探测磁矩和物质中核与磁的基本相互作用等方面阐述了中子散射技术的独特优势。由于中子的高穿透性,使得低温、强磁场和高压等原位样品环境容易实现;X射线对电子云的分布敏感,而中子是与原子核反应,确定的是原子核的位置,两种技术互补;中子对轻元素比X射线敏感,在确定轻元素的位置方面是不可替代的;中子对同位素有不同散射长度,特别是氕(H)和氘(D),散射长度不仅大小不同、符号也相反,在求解如软物质、生物大分子领域中的复杂结构,氢氘衬度法具有重要作用;中子的磁散射强度和结构散射强度在同一量级,是测量磁结构和磁激发的重要工具,1948年在反应堆中子源上首次从实验上观测到L. Neel预言的反铁磁序。鲍威教授也先容了中子在反射谱仪、非弹性散射技术、粉末衍射和单晶极化衍射等方面的应用。

鲍威教授指出中子散射技术的关键在于中子束流强度很难提高,为了有效地利用中子束流,应该在中子源上安置尽可能多的谱仪,采用先进的中子传输、探测和屏蔽技术,更有效地利用中子,提高信噪比;同时,选建何种谱仪,对中子散射强度、分辨率等参数作何种优化,以及中子散射技术专业人才的培养等方面,在中子源和谱仪建设开始到运行,都需要认真考虑。

专家讨论认为:

1. 谱仪的选取及其性能指标应认真听取用户的意见,同时汲取国际先进经验,针对不同研究领域的群体,突出谱仪的特色和优势;把材料的前沿核心问题与用户关注度联合起来考虑,提前做定位;

2. 新增谱仪建设工作需要尽快开展,应联合多家单位从多种渠道解决资金来源,并尽快提交一套书面的计划书;

3. 散裂中子源应结合华南地区,特别是广东、香港的地方发展战略,加速推动新增谱仪和人才培养的建设;

4. 中子探测仪器面临的困难之一是中子探测器使用的He3价格昂贵,现在已经在研发新型中子探测器,如涂硼的薄膜等;

5. 我国新材料研发领域发展迅速,为培养从事中子散射研究的研究生打下良好的基础。国家中子源装置应积极开放,互相配合,互相交流学习。同时也要注重培训普通用户,拓展中子散射应用。

二、中子散射平台与方法

“材料基因组计划”是美国在2011年提出的“先进制造业伙伴关系计划”的重要组成部分。该计划拟通过高通量数值模拟和设计,结合高通量材料合成和表征实验技术,大大缩短新材料的研发时间和降低研发成本,可能产生材料科学和工程领域的一场革命。目前中国也在积极酝酿中国版“材料基因组计划”,其中条件平台建设是要在全国范围内建设三大基础平台:高通量计算平台、高通量材料合成和表征平台、材料数据库平台。高通量材料合成和表征平台作为材料基因组计划的试验基础,其高通量表征平台将在很大程度上依托大科学装置,特别是同步辐射光源和中子源,建设一批与高通量材料表征相关的线站、谱仪及设备,形成依托大科学装置的高通量材料表征的研究基地。在广东东莞建设的中国散裂中子源是我国首台脉冲中子科学综合实验装置,具有很高的有效脉冲中子通量(2.0×1016n/cm2s),中子具有磁矩、穿透能力强和对轻元素敏感等特点, 能同时测量大范围的动量和能量变化,方便物质整体性能的表征,为实现大批量、高效地材料表征提供了基础和保障。

中国先进研究堆(CARR)中子散射科学平台是我国大型科学研究平台之一。该平台目前已经建成9台中子谱仪,调试工作进展顺利,在建中子谱仪5台。当前核心工作是推动项目国家验收,从而启动用户开发。国家核技术工业应用工程技术研究中心的研究堆(中国绵阳研究堆)2012年8月份已通过国家验收,冷、热中子源均已实现正式供束。在堆大厅和散射大厅一期配套建设了8台中子应用科学平台,其中包括6台中子散射谱仪和2台中子成像装置。在中子散射技术应用研究进展方面,针对核材料的变形机制问题、含能材料微结构演化损伤问题和航空用高温合金内部两相结构调制问题等,分别改进或建立了针对性的中子散射研究方法,取得了一些重要数据,可为宏观性能评价或使役行为评估提供依据。

中国散裂中子源(CSNS)是中国科学院与广东省共同向国家申请在广东省东莞市建设的我国首台脉冲中子科学综合实验装置,其脉冲中子通量超过反应堆中子源。充分利用其高通量、全能谱、短脉冲和低本底等特性,CSNS将在物理学、化学、生命科学、材料科学、生物学、纳米科学、医药、国防科研、工业应用和新型能源开发等诸多重要学科前沿领域内,为我国提供一个先进的基础研究和高技术研究的科研平台。目前CSNS的基础设施建设和设备加工制造正在紧张进行中,预计2018年3月完成验收并逐步对用户开放。虽然CSNS设计具有提供20条中子束流的能力,但因项目经费限制,目前只建设其中3台通用性谱仪。强烈建议国家级材料专项资助在CSNS上建设3-5台谱仪,充分发挥基础平台的效益。CSNS迫切希翼用户积极参与中子谱仪,通过各种渠道申请经费,推动有特色的、先进的中子散射谱仪建设,提高CSNS使用效率,避免科技资源浪费。

三、软物质生物材料与中子散射

生物体大部分由碳、氢、氧、硫等轻元素组成,而且大多处于亲水的状态。明确这些轻元素,尤其是与水中的氢、氧相关的结构信息,对于理解各种生物分子、组织的生物学功能是非常重要的。中子散射和衍射技术对于轻元素的探测能力,决定了这些技术可以在生物学得到广泛应用。同时由于基于X射线的衍射和散射技术发展非常成熟,因此中子散射和衍射技术一般作为与X射线相应技术的互补,在结构上提供更加细致和明确的信息。中子衍射能够明确地给出氢原子的位置,对说明酶催化的细节以及相关的药物设计提供了关键的结构信息。

中国原子能科学研究院中国先进研究堆(CARR)建成的小角中子散射谱仪具备国际先进水平。通过改变入射中子束波长、样品-检测器距离,散射矢量q可以在0.003到0.5之间变化,满足聚合物材料溶解、加工过程中结构与性能的关系的研究工作。

中子散射技术可提供描述高分子-高分子相互作用性质独一无二的信息。中子散射可以区分质子和氘核的散射长度,从而可以从生物学多组分体系中分离探测某单个成员的结构信息,也可以得到有序体系的氢原子定位和振动谱。结合理论模拟,可以确定生物大分子的结构参数及与媒介(如水)之间的相互作用等。

四、能源、工程材料与中子散射

随着石油资源的逐渐枯竭以及二氧化碳排放引起的温室效应的加剧,能源和环境问题成为目前人们最为关注的几个科知识题之一。与此相关的科学研究领域有水合物、储氢、电池材料以及二氧化碳封存等。中子衍射技术和中子照相技术能够确定储氢材料中氢原子的位置,储氢效率,Li在Li电池材料中的输运通道,以及CO2封存的流通性等重要结果。

锂电池材料的中子散射技术近几年在几个方面取得了重要的成果:通过粉末中子衍射可以用来精确定出Li在晶体结构中的位置和占有率,区分相邻过渡金属原子的互占位,提供晶体材料结构方面的关键信息;通过原位中子衍射技术研究充放电过程中材料结构演化;通过变温粉末中子衍射结合最大熵拟合方法,研究锂离子在无机晶体材料中的输运路径;通过中子自旋回波技术研究结合分子动力学拟合研究聚合物电解质中锂输运的驰豫行为;利用中子深度分布曲线,探测电极材料中嵌脱锂深度,研究电极材料充放电过程中的容量损失以及电极材料老化等问题;通过中子成像技术,对一个实际锂离子电池实现中子成像,提供了一种非破坏性在线失效分析技术;通过中子反射模式,研究电池中的界面问题。

中子衍射技术在工程材料研究领域的应用备受瞩目,主要包括:工程部件的内应力测量、织构测量、材料使用与处理过程(变形、结晶、再结晶、相变)的原位研究等,其中大型设备(如飞机、航天飞行器、高铁车辆等)关键部件用材料微观与宏观应力分布的测量具有重要的科学与应用价值。

利用小角中子散射技术,结合三维原子探针层析技术,成功地证实了强化合金中新型氧化物弥散Y-Ti-O纳米相的形成机制。

五、磁性、超导与中子散射

经过近60年的验证和发展,磁性材料的磁散射成为中子散射技术所特有的“金字招牌”,对现代磁学理论的发展和磁性材料的研发都起到了很重要的作用:特别是铁基超导体、铜氧高温超导体、磁性材料(如巨磁致伸缩材料、磁制冷效应材料、特大磁电阻效应、纳米晶磁性材料、自旋电子学材料等磁性功能材料)中的重要应用。对比反应堆中子源,散裂中子源具有中子束流利用率高、入射能量区间跨度大等优点。专家建议散裂中子源需要建一台直接几何非弹性散射谱仪来定量测定反铁磁和非常规超导体的基本机理等问题。中子散射能够对铜氧超导体和铁基超导体中的自旋能隙、共振峰、以及磁场效应进行非常有效的研究,对探索自旋与电荷有序态,发现自旋涨落,探索它们对超导的影响发挥着非常重要的作用。中子散射实验表明磁性在铜氧高温超导体、铁基高温超导体等非常规超导体中,扮演着极其重要的作用。

中子散射在研究低维磁性材料、多铁性材料、超大磁电阻材料中也起着十分重要的作用。中子散射可以确定以任何其他测量手段所不能得到的材料中的磁结构,在确定材料的磁性、晶格、轨道等的相互作用方面也发挥着决定性的作用。

目前使用和研究的磁性材料多以Fe,Co为基,而从电子结构来说,在3d过渡族中锰原子有望提供更大磁矩(5mB)、而且磁结构和磁有序丰富, 但是目前研究还很欠缺。利用中子衍射对MnX、Ni-Mn-X和R-Mn等Mn基材料中Mn的磁结构、磁相互作用和磁晶各向异性的机制进行研究,有助于了解锰基磁材料的铁磁性形成和磁性原子之间的耦合机制,为探索新的强铁磁性Mn系合金提供引导。

磁性薄膜是磁学研究的热点之一,其特点表现为基础性和应用性并重。与磁性块体材料一样,对于磁性薄膜的结构和磁性的表征日益成为研究的重要内容,极化中子反射不仅可以对磁性多层膜的膜层结构进行研究,同时还可以对每层的磁性进行标征,甚至于对界面的磁性进行研究。

六、小结与建议

与会专家在充分交流与讨论的基础上,形成如下基本共识和建议:

1. 工程材料和能源材料的研发是国家持续发展和国家安全的战略需求。我国是材料研究和生产的大国,正在迈向材料研发和生产的强国。中子散射因其自身的特点,在确定物质的微观结构和运动,从而理解和引导新材料、新工艺的开发,具有不可替代的地位和作用。特别在能源材料、工程材料、磁性和超导材料、电子材料、生物材料和医药等研究和开发领域,目标明确,需求迫切。

2. 高通量中子散射表征是大量、快速研发高性能材料的重要手段。应在“关键新材料研究和工程化”等国家级大型研究计划中,建立相应中子散射平台,建设3-5台特色谱仪,为我国高性能材料研发提供基础性的、长期的技术支撑。

3. 中子散射研究在我国起步很早,但因中子源的限制,长期以来没有得到很好的发展。新世纪以来,国家相继投资建设CARR堆、绵阳反应堆和散裂中子源。这些装置的性能指标都具有国际竞争力,为在我国开展中子散射在先进材料的前沿研究和工程应用奠定了基础。三个中子源在性能、地域分布和建设时间都具有互补性。它们分别分布在华北、华南、西南。有稳态和脉冲两种类型。绵阳堆已验收运行;CARR堆基本谱仪建设到位,具备了对用户开放的硬件条件,正准备国家验收,CSNS正在建设中,2018年建成开放。三装置根据目前阶段的特点,首先做好各自的工作:绵阳堆要落实开放措施;CARR尽快完成国家验收并对用户开放;CSNS需要多渠道筹措经费,尽快启动新增谱仪的建设,鼓励用户和地方政府共建谱仪。谱仪设计和建设要汲取国际先进经验,认真听取用户意见,重视用户服务设施建设。三装置要加强在谱仪建设方面的合作,统一规划,技术共享,信息交流,经验教训,分担任务,人员培训。

4. 高度重视中子散射应用领域的扩展和用户培养。要下功夫,一个领域、一个领域地去开拓,积极宣传先容中子散射的应用及其典型成果,培养用户和发展应用。

5. 近年来在中子源建设过程中,国内中子散射研究和应用队伍发展较快,用户初具规模。从海外引进的中子散射研究及相关应用的专家级人才明显增加。目前已经具备了开展中子散射前沿研究和应用的基本人才队伍。

6. 由于美国对3He出口的限制,价格高。国内应协调各方的力量,研发新型高性能中子探测技术,建立测试平台。同时国内的3个中子源应统一考虑数据采集和分析的框架,方便用户在不同装置的使用,而且节省运行维护成本。

7. 建议中子散射专业委员会成立中子散射技术和应用的不同专业领域工作组,研讨各自领域的科学目标和关键问题,合作方式,工作计划。拓展相关的中子散射应用领域和用户培养。发挥各个研究单位的自身优势,共同推进我国中子散射技术和应用的发展。

8. 进入新世纪以来,国家对大科学装置建设和运行的投入有较大幅度的增加,许多建成的大装置对科技创新发挥很大作用,若干装置正在建设。与国家创新体系对大科学装置迅速增长的需求相比,投入仍然不足,远低于国际先进水平,而且由于物价和人力费用的上涨,环保标准的提高,经费不足的矛盾更为突出。例如中国散裂中子源(CSNS)的建设经费存在5.7亿的缺口,要求建设单位自筹。CSNS可以建设20台谱仪,但由于建设经费的限制,一期工程仅建设三台谱仪,只能发挥CSNS大约15%的作用,严重浪费。目前大科学装置建设的立项和管理程序基本按照一般的基本建设项目(高速公路,电站、水库等)的方式管理,不符合实际。

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