上海交通大学研制出新一代中子谱仪“洛书”：测量范围相当于普通人头发丝直径的百分之一到十万分之一

继我国首台冷中子高分辨工程应力谱仪“河图”于2022年初通过验收并正式运行后，上海交通大学近日宣布：第二台同样由交大自主设计研制的超长多模式中子小角散射谱仪“洛书”（简称“洛书”谱仪）已于2024年10月28日顺利通过技术验收。该项目由上海交通大学巴黎卓越工程师学院、材料科学与工程学院双聘教授、中子科学与技术全国重点实验室副主任钟圣怡担任首席科学家与建设负责人。

新闻发布会现场 胡思华/摄

最新建成的“洛书”谱仪，以其超过46米的长度，成为全球中子小角散射领域的巨无霸。它的超长准直器与探测系统，使其能够覆盖从微米到亚纳米量级的测量范围，这一范围相当于普通人头发丝直径的百分之一到十万分之一。“洛书”谱仪还全球首创了三探测器系统，能够在同一时间探测到纳米至微米级结构的变化，这对于理解物质微观演化规律、开发新型高性能材料具有重大意义。

新一代中子谱仪“洛书”其量程、瞬时量程、谱仪全长等关键指标均直指世界第一。这一重大科研项目的推进，标志着我国在高端中子科学仪器领域再次取得了重大突破，将大力推动中子技术在航天航空、核电能源、化学化工、生物医学、高铁船舶以及基础研究领域的应用，助力突破工程技术瓶颈，探索前沿科学疆界。

在现代社会，无论是人类的健康检查还是高科技装备的安全保障，都离不开先进的检测技术。当飞机、高铁等承载着无数生命安全的工程部件受损或需进行精密检测时，X射线因为无法穿透厚重的金属而显得力不从心。此时，一种名为“中子”的特殊粒子，成为了工程部件的“专属医生”。

中子散射技术之所以能够成为工程安全的守护者，得益于中子本身的独特属性。相比X射线，中子拥有更强的穿透力（X射线的千倍以上），能够轻松穿越航空发动机、核反应堆构件、高速列车轮毂等关键工程部件，深入探测内部细微缺陷，确保这些关键组件在使用过程中的可靠性。此外，中子还能识别不同的同位素和磁结构信息，这使得它能够在静态结构和动力学研究中发挥双重作用。对于新型能源材料、高性能结构材料、生物材料等先进材料，中子散射技术能够对其微观结构进行精确的分析与研究，为材料科学的进步提供有力支持。

中子团队

尤其值得一提的是，中子对氢原子具有独特的敏感性。在氢动力汽车领域，中子散射技术可以帮助科学家精确定位氢气在金属中的位置和释放条件，从而提高氢动力汽车的效率和安全性。同时，在生物制药领域，中子散射技术更是展现出了其非凡的能力，它能够清晰展示蛋白质的内部结构，揭示生命的奥秘。

中子散射技术就像是一台核能超级显微镜，它以其独特的视角和强大的功能，成为了探索物质微观结构的有力手段。在国际上，中子散射技术已经在诸多领域发挥了不可替代的作用。近年来，在国家的大力支持下，我国的中子科学也取得了突飞猛进的发展。上海交通大学自2018年起，便自主设计并建设了先进中子散射材料表征平台，致力于推动中子谱仪技术及中子应用科学的发展。

河图与洛书的命名来自于我国传统文化，它们不仅是周易八卦的前身，更象征着古人理解世界万物因果规律的智慧，这份古老的智慧如今在科技领域焕发新生。2019年，在上海交通大学“双一流”建设项目的支持下，上海交大对接国家重大工程亟需与前沿科研发展需求，建设国际顶尖的中子科学平台。中子平台依托中国绵阳研究堆，建设了两台先进中子科学谱仪“河图”和“洛书”。

“河图”谱仪，这台由上海交大自主设计并研制的科学巨作，已于2022年初通过验收并正式运行。它的关键技术指标在全球同类型装置中处于国际先进水平，尤其在谱仪分辨率和应变测试分辨率等核心指标上，更是达到了国际领先的地位。“河图”谱仪应用广泛，能够对航空发动机单晶叶片、核反应堆结构件、深海压力容器、半导体晶圆等关键工程构件进行无损定量测试，为这些构件的服役安全评价和寿命预测提供强有力的科学支持。

河图谱仪+团队

“洛书”现今引以为傲的46米谱仪长度，实则是历经一次重大革新后的成果。起初，受限于物理环境，“洛书”谱仪的设计蓝图定格于39米。然而，研究团队并未止步于此，他们深入探索，广泛搜集来自不同科研领域的测试需求，并通过一系列严谨而细致的迭代论证过程，敏锐地意识到39米的谱仪设计尚无法全面覆盖若干至关重要的科研探索领域。面对这一发现，团队成功破解了技术升级过程中的重重难关，最终实现了谱仪长度的飞跃性增长，通过对中子环境进行重大升级改进，使谱仪总长达到46米，极大地拓宽了量程范围。这不仅大幅提升了“洛书”的性能，更为中子科学领域的发展注入了强劲的新动力。

洛书探测器腔

随着“河图”与“洛书”两台中子谱仪的成功建设和启用，中子科学正逐渐成为上海交大的一张闪亮名片。在科技日新月异的今天，拥有超长中子谱仪无疑意味着在中子科学领域迈出了坚实的一步。这一稀缺资源不仅成为了连接重点关键企业与上海交通大学的重要桥梁，更在支撑国家重大工程技术攻关方面发挥着不可替代的作用。从航天航空的翱翔天际，到核电的清洁能源供给；从生命医学的深入探索，到深海的未知挑战；再到高铁的疾驰如风，中子谱仪都在其中扮演着举足轻重的角色。

验收评审组组长林忠钦院士评价，“洛书”谱仪在设计上充分发挥冷中子特点，兼顾高强度和高分辨功能，对实现金属、高分子、生物蛋白、功能材料等的纳米结构表征提供了充足的硬件条件，具备了先进的材料微结构测试能力。

创新设计和采用双模式速度选择器、双“L”探测器+主探测器的组合系统、多功能样品台、基于Wolter镜的聚焦组合模块，兼顾了宽广矢量测量范围和瞬时散射矢量跨度最大的测试需求，并开发了面向用户的数据分析软件。

樊春海院士评价，“洛书”谱仪在设计上充分发挥冷中子特点，兼顾高强度与高分辨功能，能够对金属、高分子、生物蛋白、功能材料等的纳米结构进行定量无损表征。“洛书”具有超长的设备长度和极宽的散射矢量测量范围，谱仪全长达46米，长度与量程领先于国际同类谱仪，散射矢量范围达到三个数量级，具备广角测量和瞬时大矢量跨度的特点，使其能够实现纳米到微米尺度的精准表征，是当前国际上少有的可进行超大量程测量的装置。这些特性使“洛书”谱仪在探索亚纳米到微米尺度的微结构具有优势，满足材料、化学、生物、物理等不同科研领域的研究需求，为解析金属、高分子、生物蛋白、功能材料的复杂结构分析提供有效手段。

吕坚院士评价，展望未来，“洛书”不仅是科学家手中的重要研究利器，更将成为推动产业升级的强大动力。它为我们提供了一个跨学科、跨行业的高水平研究平台，能够在材料科学、航空航天、生物医药、能源动力、人工智能等关键领域中解决一系列科学与工程难题，带来创新性解决方案，为我国新质生产力的高质量发展提供重要支撑。