多功能反射谱仪

　　“人随装置走”是大科学装置建设的常态。2007年，随着中国散裂中子源（CSNS）选址东莞，100多名来自北京的科研人员，开始了漫长艰辛的“两头跑”“多头跑”。

　　CSNS的多功能反射谱仪（MR）负责人朱涛就是其中一员。朱涛告诉《中国科学报》，如果把材料简单地分为三类：块体（三维）、薄膜（二维）、纳米线（一维），MR可以研究各类薄膜材料的内部结构，特别是磁性薄膜材料的磁结构，“MR可以说是薄膜材料的微观探针”。

　　经过CSNS前两轮开放运行，MR完成的用户课题涵盖了磁性薄膜、有机太阳能薄膜、半导体薄膜、薄膜辐照损伤机理等研究领域，为研究薄膜材料的结构和磁性提供了强有力的支持。

　　布阵：透视薄膜 手段先行

　　随着人们对微观世界探索的需求，“针尖”和“麦芒”的肉眼观察范围早已不能满足。于是人们发明了光学显微镜、电子显微镜。一切并没有结束，用中子看世界的“超级显微镜”——散裂中子源应运而生。

　　如何用中子看世界？当一束中子入射到研究材料时，与材料中的原子核或磁矩发生相互作用，被散射出来，通过测量散射出来的中子动量或能量的变化，便可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律，从而知道原子、分子在哪里，在如何运动，这就是用中子看世界的方式，即中子散射技术。

　　中子反射是十分重要的散射技术之一，在薄膜材料和界面科学研究方面具有独特优势。

　　朱涛解释说，薄膜材料是随着现代科技的发展，为了满足一定的功能人为设计并制造的一种材料。然而，该材料是否符合人们的设计，就需要通过反射谱仪来分析。

　　当中子入射到薄膜材料中，由于薄膜中各层对中子的反射能力不一样，从而能够分析出各层的厚度、粗糙度等结构信息，并分辨出轻的元素，比如氢、氦、锂等在薄膜中的实际分布，特别是对于磁性薄膜材料而言，可以准确地描绘出各层的磁性分布，“这是目前可以得到该信息的唯一手段”。

　　MR主要用于各类磁性薄膜的磁结构、有机功能薄膜的结构研究。朱涛进一步介绍说，磁性薄膜广泛用于磁传感器及磁存储介质的制造，可用于计算机硬盘、断电后仍能保留信息的磁随机存储器等，对于信息安全及保护具有重要意义。

　　由于中子具有磁矩，可以和磁性薄膜中的磁矩发生相互作用。因此，通过分析磁性薄膜的反射中子的特性就可以准确地描绘出各层的磁性分布，“这是MR最有特色的功能”。

　　据朱涛介绍，国际上的散裂中子源都十分重视反射谱仪的建设，美国SNS首期的三台谱仪中有两台是反射谱仪，日本J-Parc也建设了两台反射谱仪，英国ISIS一期和二期共建了5台反射谱仪。

　　中国科学院高能物理研究所东莞分部副主任梁天骄告诉《中国科学报》，“MR的多功能主要体现在它既可以开展常规的中子反射，还可以开展中子衍射，这使得样品在同一个谱仪中既能获得反射的信息，也能获得衍射信息，不必再更换谱仪，重新调试等；此外，它还可以进行极化中子反射研究，更清晰地解析样品的磁结构，是研究磁性的最好工具。

　　建设：肩负责任 自主攻关

　　2004年，朱涛开始负责CSNS的MR前期工作。实际上，从1997年开始，朱涛就一直从事磁性薄膜的研究，是国内最早一批从事磁隧道结研究的科研人员。

　　从地道的“用户”转而成为设备的建设者，“这是一个全新的挑战，我很感兴趣”。朱涛回忆道，但是随着CSNS选址东莞，他便开始了北京、东莞“两头跑”的生活。

　　这一跑就是十多年，他的女儿从幼儿变成了高中生，MR也从无发展到“开花结果”。

　　正是凭借多年的磁性薄膜研究积累，朱涛对于这一新领域并没有茫然失措，而且更了解用户的需求。

　　但从头建设，谈何容易。项目初期，MR 的团队其实只有朱涛一个人。2005年，为了更好地建设MR，朱涛利用前往德国于利希研究中心做洪堡学者这一年，开始系统学习中子散射的基本原理，以及中子反射技术。2010年以后，朱涛才慢慢有了自己的团队。

　　“为了保证工程进度，连接靶站和谱仪的导管穿墙件安装必须按时完成。”朱涛说，当时，瑞士厂家担心现场调试条件，放弃了制造该部件。

　　随后，朱涛带领团队反复修改设计方案，经过3年的自主攻关，最终设计出了全新的结构，充分保证了安装精度。2017年4月1日，MR中子导管安装工作顺利完成，在导管安装过程中检验了自主设计的穿墙管部件的快速更换技术，实现了几分钟完成穿墙管部件的安装和定位，属国际首例。由于穿墙管部件周边受中子的辐照后具有一定的放射性，这为CSNS运行后辐射环境下谱仪导管的安装提供了有益的参考。

　　朱涛说，MR的设计采用了国际化、高标准的理念，博采各国先进技术，但是他们始终坚持谱仪的设计完全自主产权，对于一些关键部件，“不等不靠，积极组织攻关，确保工程进度”。

　　目前，MR的设计、调试过程中完成了6项专利申请，已授权发明专利3项，其中一项就是上述的连接靶站和谱仪的导管穿墙件的设计。

　　截至目前，MR共完成了14个用户课题，第三轮用户申请数接近前两轮的总申请数。梁天骄表示，用户课题提交申请后的评审包括形式审查、技术可行性评价和专家评审，其中，专家评审重点评价申请课题的科学意义和科学价值。

　　“第三轮用户实验机时需求远不能满足。”朱涛表示，下一步，MR还将进一步解决信号的噪声问题，同时增加各种原位测量的条件，例如为了适应高质量薄膜研究工作的需求而定制的5T磁场。

　　培养：人才用户 双管齐下

　　人才之难万冀一。我国谱仪科学家十分缺乏，人才培养至关重要。MR的建设过程中，朱涛十分注重对团队年轻成员的培养。

　　由于MR建设经费有限，深知实践重要性的朱涛，为了给“初出茅庐”的硕士毕业的工程师寻找去国外散裂中子源学习的机会，开始大量申请国外散裂中子源的实验机时。每次去国外做实验时，朱涛便带上一两人，分批让他们在国外散裂中子源上轮训，从而使他们能够迅速建立起对中子反射谱仪的整体认识。

　　“现在，这些团队年轻成员已经可以‘挑大梁’了，并开始参与到其他谱仪的建设中。”朱涛说。

　　朱涛认为，谱仪科学家要有自己的研究兴趣、独立的研究能力以及完整的研究经历，才能更好地与用户沟通，帮助用户使用谱仪，产出高水平的研究成果。

　　用户作为谱仪的使用者，对谱仪的深入了解也至关重要。梁天骄告诉记者，CSNS非常重视用户的培养，早在2004年便举办了第一届散裂中子源多学科应用研讨会，多年来，CSNS通过举办年度的用户会议和各种专题研讨会，向更多用户宣传相关谱仪的应用，同时了解、收集用户需求，以更好地服务用户实验。

　　此外，为更好地发挥CSNS的作用、培养潜在用户，CSNS正在组织中子学校，将于今年10月开展首批学员培训。培训期间，为使学员更深入地了解谱仪，CSNS还将安排学员在谱仪上进行操作，使学员不仅学习到谱仪及应用的相关知识，还可以体验实验设计、实验准备、谱仪实际操作、数据分析等实验全流程。

　　(原载于《中国科学报》 2019-08-22 第8版 装备制造 http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/8/348937.shtm?id=348937 )