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【广州日报】中科院高能物理研究所梁天骄 深耕散裂中子源16年 “我会在东莞工作到退休”
2020-04-13|文章来源:冯秋瑜 |【
 

 

  中科院高能物理研究所东莞分部副主任梁天骄在散裂中子源领域已潜心研究了16年。虽然因为工作的原因,他已经长达七年“离家在外”,但为了散裂中子源的“大国重器”梦,他表示自己会在东莞工作到退休。

  文/广州日报全媒体记者 冯秋瑜 图/广州日报全媒体记者 冯秋瑜、张丹

  工作跟着装置跑 “大科学工程需要杂家”

  1991年,梁天骄去北京读研,毕业后就留在北京工作,到2013年“正式进驻”东莞,他已经在北京工作、生活了22年,“本来以为这辈子就在北京了”。然而,2004年开始,梁天骄开始全程参与散裂中子源的工作,2006年散裂中子源定址东莞后,“人生轨迹”发生了改变。“2006到2013年经常来东莞出差,2013年开始常驻东莞,到现在也有七年了。” 梁天骄说,自己肯定要在东莞工作、生活到退休了。

  梁天骄从事过核探测器、激光等离子体和中子物理研究,他戏称自己学得比较杂。“做大科学工程要求面要宽一点,而且因为涉及多学科合作,对其他的学科也要有比较好的了解,这样我们才能够比较综合地看问题。”

  在散裂中子源,他最开始的工作主要是设计靶站。“散裂中子源分为加速器、靶站和谱仪,靶站就是产生中子的地方,高能质子轰击钨靶产生中子之后,把中子慢化到适合中子散射研究用的能量,和脉冲时间分布,这是靶站的主要物理功能。但是为了实现物理功能,需要很多学科的同事一起工作,如材料、低温、机械、水冷、屏蔽、控制、遥控维护等,才能保障靶站在高效输出有效中子的同时安全稳定的运行。”

  深耕散裂中子源:

  20余年的“大国重器”梦

  2000年的时候,我国科学家向国家科教领导小组提交的“中国高能物理和先进加速器发展目标”报告,提出建设散裂中子源,一直到2018年,经过了18年才建成。如今,中国散裂中子源一期工程完全实现了建设目标,并开始100kW稳定供束运行,这一成绩的取得,是散裂中子源众多科研人员长达十几年的努力,梁天骄就是其中的一员。回忆起这些,梁天骄觉得颇为不易。

  ?“高功率的靶站,在我国是第一次做,以前积累的经验很少,基本上是一片空白,从头做起。所以在做的过程中,一方面加强和国外的相关装置以及专家们的学习和交流,一方面,科研人员加班加点学习与工作,深究每一处细节。”梁天骄说,“之前,国际上的交流环境比现在要好,而且散裂中子源的同行,历史上的合作特别的紧密,相互之间的沟通也特别的好,给了我们很多的帮助。”

  ?“早期的靶站设计是严启伟老师负责,我跟着严老师学到了很多的东西,我当时主要做靶站的物理设计,同时需要与加速器和中子散射谱仪的设计迭代,以及与靶站工程设计迭代。靶站方案经过了几次大的调整,到2011年,才最后确定了现在的方案。”

  既搞科研又要做工程

  ?“散裂中子源的建设不仅包括学术研究,也是科学工程的落地实施,这就需要我们多方面的能力和付出。”梁天骄说,“做纯研究主要是发现新的现象、机理。而做科学工程还需要受到工期、经费等限制,所以常常需要平衡和妥协。”

  ?“比如说我们靶站的屏蔽,从靶站中心向外4.8米是钢屏蔽,从4.8到6米是重混凝土屏蔽。为屏蔽高能中子和伽马射线,这种重混凝土既要求较高的密度,同时又要求一定的水含量,所以我们采用含结晶水的铁矿石做骨料。当时,我们和基建的同事一起去铁矿石矿场不同的矿口收集不同的样品回来,经过检测后终于找到合适的结晶水含量铁矿石。之后,重混凝土的制作工艺也需要实验,基建部门建立一个小的搅拌站来研究工艺,我们对不同工艺的样品再做测试。为了达到和保证物理结果,工程上方方面面相关的工作都要关注。”

  BNCT能救人

  这让我非常兴奋

  梁天骄说,自己如今的主要任务,首先是确保散裂中子源靶站谱仪围绕国家重大需求和科技前沿的研究尽量服务好用户,多出成果,与此同时,硼中子俘获治疗(BNCT)的装备研发也是他重点关注的工作。

  从2012年开始,梁天骄与傅世年老师一起开始BNCT装置的研究,从2017年开始,散裂中子源BNCT团队投入大量人力物力研发相关设备。“傅老师是BNCT总体的技术负责人,我的工作集中在BNCT治疗端研发。”谈到这里,梁天骄非常兴奋:“做出一个科研成果、建设好靶站、谱仪都会使人很有成就感,但是BNCT装置建成后,真的能够治好患者,能救人,这种感觉可能会让人更兴奋。”

  一年回家不到一个月

  常常每次只待四五个小时

  “开始长期在东莞工作后,我和爱人商量好家人可以每年在北京、东莞各待一半的时间。但后来因岳父突发心梗,不能长期离京而未能实现。”梁天骄对记者说,这七年里,每年平均在北京的时间不到一个月,主要是借在京开会的机会顺道回家。“那时候老是坐最后一班航班,到家就凌晨两三点了,然后早上七点多就离家,开完会就去机场了。所以我爱人常说,得交‘住宿费’!最近基本坐晚上六点的航班,正常的话十一点前就能到家了。我们做这一行的,肯定就是‘工作跟着装置跑’。”

 

硼中子治疗癌症 有望三年内在东莞临床试验  

最适合治脑胶质瘤、黑色素瘤 

  4月3日,中科院高能物理研究所东莞分部副主任梁天骄对广州日报全媒体记者透露,硼中子俘获治疗(BNCT)有望在三年内率先在东莞市人民医院开展临床试验。

  BNCT是治疗脑胶质瘤、黑色素瘤的最佳手段

  “目前针对癌症治疗的放射疗法,在杀死肿瘤细胞的同时,不可避免地也会损伤一些正常组织的细胞,BNCT治疗则可有效降低对正常组织的损伤。”

  据了解, BNCT治疗时先注射含硼药剂,之后硼会在肿瘤富集,中子照射时被硼俘获,产生高杀伤力的α粒子和锂离子杀死癌细胞。“主要损失在含硼的肿瘤处,正常组织的损伤就小很多。对于脑胶质瘤、黑色素瘤,BNCT是最佳的治疗手段。”

  有望三年内在东莞市人民医院开展临床试验

  梁天骄介绍,因为强中子源难以接触,硼中子俘获治疗(BNCT)发展得较慢,目前全世界基于反应堆的BNCT治疗只有2000多例。但如果可以使用加速器来产生中子,就易于推广到医院使用。

  今年3月5日,广东省科技厅公布了2019年广东省工程技术研究中心认定名单,散裂中子源科学中心申报的“硼中子俘获治疗(BNCT)肿瘤装备工程技术研究中心”获得认定,这是散裂中子源科学中心首个获批认定的省级工程技术研究中心。“今年4月2日,我们完成了高效产生中子的固体锂靶的首次束流测试,接下来将进一步提高中子强度。”

  据悉,散裂中子源园区已基本建成一台BNCT的实验装置,第二台将与东莞市人民医院合作,在两到三年内开展临床试验,并依规逐步开始治疗病人。

  BNCT的方法,在对恶性脑胶质瘤、黑色素瘤、头颈部复发肿瘤等癌症的治疗方面,已经被证实有良好的效果,因此未来的临床试验,将首先针对这类肿瘤病患。而这也将改变中国现有的高端医疗设备大部分依赖进口的局面。

 

散裂中子源用于考古 

检测南海水下文物结构 

  “散裂中子源将来在考古方面可以发挥重要作用。” 4月3日,中科院高能物理研究所东莞分部副主任梁天骄对广州日报全媒体记者介绍说,中子穿透能力强,可以很好地开展文物的材料结构、成分、年代、产地等性质研究,利用不同的中子散射和成像技术,可以得到其他研究手段难以获得的信息,为考古领域提供新的强有力的研究手段。

  3月15日,中国散裂中子源迎来抗击疫情复工后的第一个到达现场的用户。中国科学技术大学带来了南海水下文物的海洋凝结物,希望利用共振中子成像技术对其进行内部观测。

  “这是一次探索性的实验,目前还在进行数据分析,这也是在中国散裂中子源开展的首次考古方面的实验”,梁天骄介绍说, “中子束打到被研究的样品身上,部分中子会与样品的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周‘散射’。测量散射的中子的动量变化,就可以精确地反推出样品的微观结构,不同工艺制作的文物其微观结构有差异,利用中子散射就可揭示加工技术的发展历史。利用冷中子、热中子的三维成像技术,空间分辨能力可以达到几十个微米,研究文物内部结构,看到一些X射线CT难以发现的信息。”

  梁天骄举例说,意大利的文物特别多,近年意大利投资与英国散裂中子源合作建设了一台可开展中子衍射与中子成像的谱仪IMAT,考古研究就是这台谱仪的研究领域之一。 “例如,如果我们想研究一个泥塑文物是怎么样制作出来的,我们不能把泥塑敲开看其内部的材料和结构,用X射线拍照,如果里面有铁制架子,X光可以看出来,但如果里面是木头或其他轻元素材料的架子,X光不能分辨,用中子成像,木架就很清晰地展现出来。再例如,一些油画可能是画在另一层甚至多层油画之上,利用中子活化成像技术,可以揭示出被覆盖的下面层的图像。”

 

质子加速到近光速,撞碎原子核,中子四散……

  中科院高能物理研究所东莞分部副主任梁天骄给我们介绍了中国散裂中子源的工作原理。

  中国散裂中子源每40毫秒提供20多束脉冲中子束流,照射各种材料,让人们获得物质在原子层级上的结构和运动的信息。这样的信息对探索基础科学问题、研发高性能材料、研究高铁轮轨失效机理等十分重要。

  中子束流从哪来呢?

  原子包含由中子和质子构成的原子核和核外电子。质子和电子可以较容易地通过氢原子的电离等方式获得。在地球上,超过一半的物质质量由束缚在原子核内的中子贡献,而自由中子由于其半衰期只有八百八十多秒,数量很少。要把中子从原子核中释放出来,需要给原子核内的中子提供很大的能量,才能克服将它约束在原子核内的很强的核力。

  散裂中子源,就是用高能质子轰击原子核的办法产生中子。

  要把原子核“撞碎”,需要比原子核小的东西作“子弹”。我们的子弹,即质子,根据量子力学的波粒二象性,质子既是一个粒子,但同时又有波的性质。质子能量越高,波长越短。质子能量较低时,它的波长大于原子核的直径,这时质子只能与整个原子核发生相互作用,不能给原子核内的中子提供足够的能量。而当质子能量足够高时,其波长会小于原子核的尺寸,这时,入射质子可以与原子核内的中子、质子等核子发生单独的碰撞,入射质子与被碰撞的核子能量比较高时,它们还可以继续与原子核内的其他核子发生碰撞,甚至将原子核“撞碎”,就像打台球的开球时一样,从而让原子核内的中子释放出来为我们使用,这个过程叫做核内级联碰撞。

  中国散裂中子源利用直线加速器和环状加速器把质子加速到高达光速(宇宙中最快的速度)的百分之九十,能量达到1.6GeV,然后控制质子轰击由重金属钨制成的靶。高能质子除了把钨原子核中的一些中子直接撞出原子核,还会使原子核处于能量高、不稳定的激发态,激发态的原子核就像一壶烧开的水,不断向外“冒泡” ,进一步“蒸发”出一些中子、氘核、α粒子等轻粒子。高能质子入射重核后这一系列复杂的核反应统称为散裂反应,一个1.6GeV的质子可以从钨原子核中释放出四十多个中子。

  这些中子在靶站内经过液态氢或水慢化后,速度从每秒几万公里降到每秒几百到几千米,之后向四面八方飞散。

  围绕靶站,中国散裂中子源已建成了3条中子谱仪:通用粉末衍射仪、小角衍射仪和多功能反射仪。

  谱仪就是引出中子束并通过不同的方法利用中子探测物质微观结构和运动的仪器。不同的谱仪工作原理各异,应用领域、范围也不尽相同。

  谱仪具体如何探测物质结构呢?以通用粉末衍射仪为例,中子束流照射在样品后,部分中子向各方向散射开,谱仪会记录这些散射中子的方向,以及各个方向上有多少中子。在中子的波长与样品微观上周期排列的原子间的距离满足一定关系时,一些方向的散射中子数量会显著增加,材料的不同原子结构会让中子以不同方式散射。利用记录的散射到不同方向中子的“蛛丝马迹”,人们可以反推材料的微观结构。

  这个过程与X射线研究微观结构有异曲同工之处,使用相似波长的中子和X射线。神奇的是,这两种探测手段在许多方面刚好优势互补,相辅相成。

  譬如X光是探测重元素(如金、铅)的利器,对轻元素却不太敏感。而中子束刚好对探测氢、碳等轻元素效果甚佳,并且可以区分同位素。

  利用中国散裂中子源发表的第一篇实验成果论文,就是在通用粉末衍射仪上研究锂电池的正极材料的微观结构。在原子层面对锂电池材料和工作机制的深入研究,有助于科学家开发更高容量、更安全的锂电池。

  作为国之重器,中国散裂中子源正在发挥越来越重要的作用。

 

  来源:《广州日报》 2020年04月13日 第A12版


 
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