在松山湖科学城，中国散裂中子源内部，红蓝相间的花朵开得正艳。最近，一个历时两年多，凝结着众多科研人员心血的多物理谱仪，也在这里开花结果。
7月26日，中国散裂中子源多物理谱仪通过专家组验收，将于10月对外开放运行。这是世界第四台、国内首台中子全散射多物理谱仪，通量超过同功率英国散裂中子源同类型谱仪，分辨率达世界先进水平。多物理谱仪是东莞理工学院、香港城市大学与散裂中子源科学中心合作建设的谱仪，也是香港特别行政区政府在内地投资共建的首个科研设施，对粤港澳深化区域创新协作具有标志性意义。中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任、多物理谱仪系统负责人殷雯为此讲述国内首台多物理谱仪背后的故事。中国散裂中子源鸟瞰
什么是多物理谱仪？殷雯打了个比方：就像放大镜能看清蜜蜂的翅膀，多物理谱仪就是观看原子世界的“放大镜”，为人们打开认识世界的另一扇窗。多物理谱仪由中国散裂中子源、东莞理工学院与香港城市大学共同建设，于2018年9月开建，今年1月底出束。两年多时间里，科研人员克服了重重困难。“我们的物理设计从2017年就开始了，不断优化参数，邀请国际专家评审，反复修改了很多个版本。”殷雯说，“谱仪的设计没有最优，只有更优。”中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任、
多物理谱仪系统负责人殷雯
到了2019年，开始定购各种设备。疫情发生后，工厂生产受到影响，一些设备难以交货。例如做实验的真空腔体，为保证腔体的高真空度，决定对100mm厚的铝合金主腔体采用电子束焊，工艺难度极高。中国科学院高能物理研究所副所长、散裂中子源科学中心主任陈延伟自己跑南京的制造企业，与企业沟通，科研团队颇费周折，企业试焊了20多次，才终于“拿下”这个设备。腔体设备
殷雯介绍：“谱仪的探测器非常贵，一个小模块就要100多万，相当一辆保时捷，安装时必须非常小心细致。”为了保证工程进度，大家加班加点。去年除夕的前一天，探测器电子学专业组还在现场忙着安装探测器。大年初五，很多科研人员又返回东莞，继续完成设备安装调试。
走近多物理谱仪，一座约一层楼高的建筑中，排布着各类精密仪器。科研人员在手套操作箱中处理样本，再借助样本杆和起吊设备，将样本放入真空腔体，开始研究。旁边的监控屏上，逐渐出现材料结构的一系列数据。
殷雯骄傲地说：“多物理谱仪设备的国产化率超过90%，其中还有不少是‘东莞造’。”谱仪中有一个长30米的中子导管，是进口设备，安装精度要求很苛刻，要控制在正负25微米范围内。受疫情影响，国外工程师不愿过来安装，项目组与准直专业组决定自己上。“有风的时候，大厅的门一开，激光跟踪仪数据就有漂移。如果安装的位置有偏差，就会影响到谱仪的通量，准直组和我们一起承担了很大的风险。”殷雯说，当时预想样品处的中子通量能够达到2.0×10的七次方，安装后测算结果是3.01×10的七次方，远高于最初的预想。殷雯与同事处理样品
另一个具有代表性的设备是径向准直器，需要在有机薄膜上镀一层中子吸收材料，以降低测量时的噪音。过去这类设备都依赖进口，但为了节省经费，并保证后期的维护，项目组决定自己研发，团队自主探索，虽然走了一些弯路，但最终实现了径向准直器的国产替代，性能上不输国外产品。殷雯说：“自主研发最大的优势在于，设备一旦损坏，我们能马上更换，不再受制于人。减少了进口依赖，才能真正实现科技自立自强。”正是凭着这样的信念，多物理谱仪设备的国产化率超过90%。值得一提的是，多物理谱仪中的单样品杆、屏蔽材料、测试平台等诸多设备，都是东莞企业生产的。殷雯回忆，几年前东莞本地企业为大科学装置配套的能力还较低，但如今这种配套能力显著增强。东莞益谦机械设备科技有限公司就是多物理谱仪单样品杆的供应商。散裂中子源的科学人员提出一个订单，甚至只是简单地画一个草图，益谦的机械工程师们就能连夜设计、生产，将产品及时送到项目现场。殷雯说：“东莞企业这种强大的设计生产能力，优质高效的服务，让人非常惊叹。”今年1月26日，是殷雯最难熬的日子。那一天，多物理谱仪要接收第一束中子束，检测各项技术参数。中国科学院院士陈和生以及东莞理工学院、散裂中子源、香港城市大学的很多权威专家一起到场见证。“前一晚，我们很多人无法入眠，都在担心万一看不到中子束，或者技术参数不达标该怎么办？”殷雯说，因为很多设备是自主研发的，中子导管也是自己安装的，只要有一个设备出了问题，就会影响中子出束。中子开关打开时，殷雯在心里默念：“一定要有！一定要有！”最终结果让大家喜出望外。使用不同方法，连续测量验证多次，测试结果都优于验收指标。殷雯与同事进行实验
通量和分辨率，是衡量谱仪技术水平的两项关键指标。通量决定着谱仪的工作效率，分辨率影响着谱仪的清晰度。最初设定的验收指标为分辨率2%、通量10的6次方，而实际达到了分辨率0.4%、通量3.01×10的7次方。与国际上其他3台多物理谱仪对比，该谱仪的设计通量是同功率英国散裂中子源谱仪的4到5倍，居世界第一；分辨率与兆瓦级的美国散裂中子源谱仪相当，达到世界先进水平。“如果使用中子导管，分辨率会下降。但要是不使用导管，通量又会下降，这是研究中的两难问题。”殷雯说，他们研究出一种方式，能够在使用中子导管的同时，确保分辨率不降低。殷雯形象地介绍，中子在飞行过程中就像一堆粒子在赛跑，有的跑得快、有的跑得慢。如果把赛道拉长，粒子之间的快慢差异就会更加明显，更加容易观测捕捉。他们将粒子的飞行距离从17米拉长到30米，将波长分开，有效地解决了分辨率不足的科研难题。
多物理谱仪是用来做什么的？殷雯介绍，多物理谱仪主要用于长程有序但局域无序材料与长程无序材料的结构研究，将在我国材料科学、凝聚态物理、生命科学、纳米等学科领域发挥重要作用。
殷雯举了几个例子。在新材料、新能源领域，中国科学院曾研制出一种新能源电池，在当年具有最高的能量密度。但一直不清楚为什么会有这么高的能量密度。后来通过中子散射研究，发现这类电池在充放电过程中，原子间距有变化，就使这种材料具有非常高的能量密度。怎样研究出充电快、续航时间长、能量密度高的电池，多物理谱仪大有可为。中国散裂中子源内景，中部为多物理谱仪
在凝聚态物理领域，一个小小的U盘为什么能有这么大的容量，就与其特殊的局域结构有关系。借助中子散射研究这种局域结构，能够催生出更多基础研究的新发现。在生命科学领域，多物理谱仪可以用于一些药物的研究。什么样的结构，更加有助于药物被人体吸收，有助于促进催化剂发挥作用，多物理谱仪将给生命科学带来全新的研究方法。听说多物理谱仪成功出束，很多高校院所的专家们慕名而来。目前，多物理谱仪已经承接了东莞理工学院、香港城市大学、香港中文大学、北京大学深圳研究生院、松山湖材料实验室等用户的项目。香港城市大学的一位专家来这里研究中熵合金的性能。这种合金能够在零下240摄氏度依然保持结构的稳定性。借助多物理谱仪，专家们能够进一步洞悉材料的原子结构和性能机理。多物理谱仪从7月初开始征集用户课题申请，受到了国内外用户、特别是东莞理工学院科研人员的广泛关注。目前用户主要集中在电池和高性能合金两个领域，未来有望催生一系列性能机理研究的创新突破。
据权威机构统计，过去几年，中国散裂中子源用户在《科学》等顶级期刊发表用户文章60余篇，前三年的科学产出远超美国、日本散裂中子源。背后原因是什么？殷雯介绍，改革开放以后，中国学者才进入中子散射研究领域，但发表的文章数量急剧增加。以2017年为例，当年中国学者在中子散射领域的科研产出在全球占比高达14%。
国内科研力量雄厚、科研需求强烈，但当时中国还没有多少谱仪，中国学者只能求助于国外。“我们发现近几年来，中国学者申请国外散裂中子源的实验机时，变得越来越困难。”殷雯说，“少数有经验的用户能申请到机时，但新的用户却难上加难。让中国学者用上自己家的散裂中子源，就是我们肩上的责任。”此前，中国散裂中子源已经开放通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪3台谱仪。多物理谱仪通过验收，将散裂中子源探索微观世界的范围，从几埃拓展到了0.1埃，未来三年，中国散裂中子源还将先后建成7台谱仪。中国散裂中子源（二期）将再建9台谱仪。这20台谱仪将为科技自立自强提供有力支撑。中国散裂中子源
陈延伟说：“自2018年8月23日正式运行以来，中国散裂中子源吸引了来自大湾区乃至全球的科技工作者，大科学装置的虹吸效应持续显现，有效支撑了大湾区科技创新发展。”当前，东莞正在举全市之力，加快建设大湾区综合性国家科学中心先行启动区（松山湖科学城）。有大科学装置的加持，东莞必将在科创引领的高质量发展道路上，走得更稳、更远！