机电工程技术

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孙振忠--大科学装置样品环境设备的研究进展

DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 12. 001

陈海彬, 杨喆, 李川，等. 大科学装置样品环境设备的研究进展［J］ . 机电工程技术，2020，49（12）：1-5.

国家自然科学基金项目（编号：51775112）；

广东省自然科学基金重点项目（编号：2019B1515120095）；

广东省创新强校项目（编号：2016KQNCX163）

大科学装置样品环境设备的研究进展*

陈海彬，杨喆，李川，孙振忠※，郭建文

（东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523808）

摘要：大科学装置是面向科技前沿研究的重要实验设施，近年来全球建设大科学装置的力度不断加大。样品环境设备是大科学装置常用的重要子系统，用于为实验中的样品提供一个特殊的恒定环境，以使样品处于特定的状态。分别从样品环境设备的设计与应用方面对其研究进展进行了探讨，并以中国散裂中子源原位真空拉应力样品环境设备为例，研究了设备设计、样机制作与实验测试，可为样品环境设备的研发与应用提供参考。

关键词：大科学装置；样品环境设备；中国散裂中子源；样机制作与测试

中图分类号：N33 文献标志码：A

文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 12－0001－05

引言

自20世纪中叶以来，科学研究逐渐从小科学时代转向大科学（Big Science/Large Scale Science）时代[1]。在小科学时代，科学创新是由科学家使用一种类似于“手工作坊式”的方式完成的，科学家出于自身兴趣独立进行研究，具有“科学家自治”的特点。进入大科学时代，政治、社会对科学创新的影响更加显著，大规模的、国家广泛参与和投入的有组织的科研活动使得科学创新具有了“工业化”特点，即具有计划性和工程性[2]。大科学最初出现在二战以来快速发展的高能物理、核物理等科学领域中，这些领域的研究需要依靠大量的资金投入、大规模的科研团队以及大型的科研装置。后来，大科学关注的学科领域也从高能物理等几个狭窄学科领域逐渐面向基础物理（物质科学）、化学、生命科学和材料科学等广泛的学科领域[3]。

开展大科学研究通常需要建设大科学装置[4]。大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建造技术难度高、规模大，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，以实现重要科学目标的大型科研设施。其目标面向国际科学技术前沿，为国家经济建设、国防建设和社会发展做出战略性、基础性和前瞻性支撑和贡献[5-6]。目前正在运行的大科学装置绝大部分位于美国和西欧国家。例如，因首次检测到引力波而闻名世界的美国激光干涉引力波天文台（LIGO） [7]；欧洲核子中心（CERN） [8]先后建成了质子同步加速器、超质子同步加速器、大型正负电子对撞机、大型强子对撞机等。2012年CERN证实探测到了“上帝粒子”希格斯玻色子[9]，这也使得物理学家希格斯和恩勒特被授予2013年诺贝尔奖；日本超级神冈探测器（Super-K）在1998年观测到中微子具有质量，并因此使得物理学家梶田隆章和麦克唐纳获得2015年诺贝尔奖[10]；由美国等多个国家在智利北部合作建造的大型射电望远镜阵列阿塔卡玛大型毫米波天线阵（ALMA） [11-12]，由64台口径为12 m的天线组成，工作在毫米波和亚毫米波。其他知名大科学装置还包括日本大型同步辐射光源SPring-8[13]；美国阿贡国家实验室的先进光子源APS[14]；法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射光源ESRF[15]；英国钻石同步辐射光源DIAMOND[16]；欧洲多国共建的基于反应堆和加速器的高通量中子源ILL[17]；英国散裂中子源ISIS、美国散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC等[18-19]。

我国从20世纪80年代末起，陆续建立了一系列以北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器等为代表的大科学装置[20]。进入21世纪以来，我国开始大规模布局建设大科学装置[21]。近年来，中国对大科学装置的投资、建设力度不断增大[22]。“九五”、“十五”期间投入33.2亿元建设了11项大科学装置。“十一五”、“十二五”期间分别投资60亿元、100亿元建设12、16项大科学装置。“十三五”期间，主要以上海张江、北京怀柔、安徽合肥和深圳4个综合性国家科学中心为主开展大科学装置建设。据统计，目前我国已建成大科学装置22个，即将新增16个。我国具有代表性的大科学装置有神光Ⅱ高功率激光物理实验装置[23]、500 m口径球面射电望远镜（FAST） [24]、LAMOST望远镜[25]、大亚湾反应堆中微子实验[26]、上海、合肥与北京的同步辐射装置[27]、大连相干光源[28]、中国散裂中子源（CSNS）等[29]。

在大科学装置中，同步辐射光源与散裂中子源是两种主要用于研究微观世界的大科学装置[30]。它们分别使用同步辐射光和中子脉冲当做研究微观世界的探针，通过使用专用测量仪器（光学测量仪器或中子散射谱仪）测量同步辐射光和中子脉冲射向样品产生的讯号，从而获得样品的微观信息。

样品环境设备[31]是大科学装置测量仪器的重要设施之一，用于为实验中的样品提供一个特殊的恒定环境，以使样品处于特定的阶段或状态，例如，有些样品的微观结构适合在低温条件下进行研究，此时其原子的热振动、旋转等幅度降低，使得该样品发生相变或表现出某些优异的性质[32]；有些样品的性质需要在施加特定拉应力的情况下研究等。样品环境可以提供低温、高温、高压、拉应力、特殊气体氛围等条件，有时是上述两种或多种条件的组合。

目前微观结构研究已经成为推动物理、化学、材料、医药、地质和环境，结构基因组学和考古学等诸多学科领域的重要手段。在微观结构探测实验中，多种多样的样品对实验环境提出了复杂的要求，特别是许多实验需要在极端条件下进行，以发现和研究新物态、新现象和新规律。这些复杂的实验环境的实现依赖于先进的样品环境设备，因此对大科学装置样品环境设备的研究可以为综合大型科技平台的提供更加强大的实验支撑条件，具有显著的科学与工程意义与价值。