大科學(xué)裝置樣品環(huán)境設(shè)備的研究進(jìn)展*

陳海彬，楊喆，李 川，孫振忠，郭建文

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

自20世紀(jì)中葉以來(lái)，科學(xué)研究逐漸從小科學(xué)時(shí)代轉(zhuǎn)向大科學(xué)（Big Science/Large Scale Science）時(shí)代[1]。在小科學(xué)時(shí)代，科學(xué)創(chuàng)新是由科學(xué)家使用一種類似于“手工作坊式”的方式完成的，科學(xué)家出于自身興趣獨(dú)立進(jìn)行研究，具有“科學(xué)家自治”的特點(diǎn)。進(jìn)入大科學(xué)時(shí)代，政治、社會(huì)對(duì)科學(xué)創(chuàng)新的影響更加顯著，大規(guī)模的、國(guó)家廣泛參與和投入的有組織的科研活動(dòng)使得科學(xué)創(chuàng)新具有了“工業(yè)化”特點(diǎn)，即具有計(jì)劃性和工程性[2]。大科學(xué)最初出現(xiàn)在二戰(zhàn)以來(lái)快速發(fā)展的高能物理、核物理等科學(xué)領(lǐng)域中，這些領(lǐng)域的研究需要依靠大量的資金投入、大規(guī)模的科研團(tuán)隊(duì)以及大型的科研裝置。后來(lái)，大科學(xué)關(guān)注的學(xué)科領(lǐng)域也從高能物理等幾個(gè)狹窄學(xué)科領(lǐng)域逐漸面向基礎(chǔ)物理（物質(zhì)科學(xué)）、化學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)等廣泛的學(xué)科領(lǐng)域[3]。

開展大科學(xué)研究通常需要建設(shè)大科學(xué)裝置[4]。大科學(xué)裝置是指通過(guò)較大規(guī)模投入和工程建設(shè)來(lái)完成，建造技術(shù)難度高、規(guī)模大，建成后通過(guò)長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行和持續(xù)的科學(xué)技術(shù)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)重要科學(xué)目標(biāo)的大型科研設(shè)施。其目標(biāo)面向國(guó)際科學(xué)技術(shù)前沿，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展做出戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和前瞻性支撐和貢獻(xiàn)[5-6]。目前正在運(yùn)行的大科學(xué)裝置絕大部分位于美國(guó)和西歐國(guó)家。例如，因首次檢測(cè)到引力波而聞名世界的美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）[7]；歐洲核子中心（CERN）[8]先后建成了質(zhì)子同步加速器、超質(zhì)子同步加速器、大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等。2012年CERN 證實(shí)探測(cè)到了“上帝粒子”希格斯玻色子[9]，這也使得物理學(xué)家希格斯和恩勒特被授予2013年諾貝爾獎(jiǎng)；日本超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-K）在1998年觀測(cè)到中微子具有質(zhì)量，并因此使得物理學(xué)家梶田隆章和麥克唐納獲得2015年諾貝爾獎(jiǎng)[10]；由美國(guó)等多個(gè)國(guó)家在智利北部合作建造的大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列阿塔卡瑪大型毫米波天線陣（ALMA）[11-12]，由64臺(tái)口徑為12 m的天線組成，工作在毫米波和亞毫米波。其他知名大科學(xué)裝置還包括日本大型同步輻射光源SPring-8[13]；美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源APS[14]；法國(guó)格勒諾布爾的歐洲同步輻射光源ESRF[15]；英國(guó)鉆石同步輻射光源DIAMOND[16]；歐洲多國(guó)共建的基于反應(yīng)堆和加速器的高通量中子源ILL[17]；英國(guó)散裂中子源ISIS、美國(guó)散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC等[18-19]。

我國(guó)從20 世紀(jì)80年代末起，陸續(xù)建立了一系列以北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、蘭州重離子加速器等為代表的大科學(xué)裝置[20]。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)開始大規(guī)模布局建設(shè)大科學(xué)裝置[21]。近年來(lái)，中國(guó)對(duì)大科學(xué)裝置的投資、建設(shè)力度不斷增大[22]?！熬盼濉?、“十五”期間投入33.2億元建設(shè)了11項(xiàng)大科學(xué)裝置?！笆晃濉薄ⅰ笆濉逼陂g分別投資60億元、100億元建設(shè)12、16項(xiàng)大科學(xué)裝置。“十三五”期間，主要以上海張江、北京懷柔、安徽合肥和深圳4個(gè)綜合性國(guó)家科學(xué)中心為主開展大科學(xué)裝置建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)已建成大科學(xué)裝置22個(gè)，即將新增16個(gè)。我國(guó)具有代表性的大科學(xué)裝置有神光Ⅱ高功率激光物理實(shí)驗(yàn)裝置[23]、500 m 口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）[24]、LAMOST望遠(yuǎn)鏡[25]、大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)[26]、上海、合肥與北京的同步輻射裝置[27]、大連相干光源[28]、中國(guó)散裂中子源（CSNS）等[29]。

在大科學(xué)裝置中，同步輻射光源與散裂中子源是兩種主要用于研究微觀世界的大科學(xué)裝置[30]。它們分別使用同步輻射光和中子脈沖當(dāng)做研究微觀世界的探針，通過(guò)使用專用測(cè)量?jī)x器（光學(xué)測(cè)量?jī)x器或中子散射譜儀）測(cè)量同步輻射光和中子脈沖射向樣品產(chǎn)生的訊號(hào)，從而獲得樣品的微觀信息。樣品環(huán)境設(shè)備[31]是大科學(xué)裝置測(cè)量?jī)x器的重要設(shè)施之一，用于為實(shí)驗(yàn)中的樣品提供一個(gè)特殊的恒定環(huán)境，以使樣品處于特定的階段或狀態(tài)，例如，有些樣品的微觀結(jié)構(gòu)適合在低溫條件下進(jìn)行研究，此時(shí)其原子的熱振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等幅度降低，使得該樣品發(fā)生相變或表現(xiàn)出某些優(yōu)異的性質(zhì)[32]；有些樣品的性質(zhì)需要在施加特定拉應(yīng)力的情況下研究等。樣品環(huán)境可以提供低溫、高溫、高壓、拉應(yīng)力、特殊氣體氛圍等條件，有時(shí)是上述兩種或多種條件的組合。

目前微觀結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)成為推動(dòng)物理、化學(xué)、材料、醫(yī)藥、地質(zhì)和環(huán)境，結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和考古學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域的重要手段。在微觀結(jié)構(gòu)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，多種多樣的樣品對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境提出了復(fù)雜的要求，特別是許多實(shí)驗(yàn)需要在極端條件下進(jìn)行，以發(fā)現(xiàn)和研究新物態(tài)、新現(xiàn)象和新規(guī)律。這些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)依賴于先進(jìn)的樣品環(huán)境設(shè)備，因此對(duì)大科學(xué)裝置樣品環(huán)境設(shè)備的研究可以為綜合大型科技平臺(tái)的提供更加強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)支撐條件，具有顯著的科學(xué)與工程意義與價(jià)值。

1 樣品環(huán)境設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)展

1.1 應(yīng)用背景需求

（1）輻射背景。由于用于探測(cè)樣品微觀結(jié)構(gòu)的同步輻射光源和中子脈沖等均具有輻射性，為避免對(duì)人體健康造成損害，實(shí)驗(yàn)樣品、樣品環(huán)境設(shè)備以及測(cè)量?jī)x器均需置于特定的實(shí)驗(yàn)站中，實(shí)驗(yàn)站的外墻具有輻射隔離功能。實(shí)驗(yàn)人員使用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程接收測(cè)得的數(shù)據(jù)，并在需要時(shí)遠(yuǎn)程遙控樣品的更換。因此在設(shè)計(jì)樣品環(huán)境設(shè)備時(shí)，需要考慮設(shè)備在輻射環(huán)境下穩(wěn)定工作的性能，同時(shí)需要考慮樣品的易更換性。

（2）在線使用背景。在微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，許多實(shí)驗(yàn)開始前需要將樣品置于特定環(huán)境中數(shù)小時(shí)，直至樣品在該環(huán)境中處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此在設(shè)計(jì)樣品環(huán)境設(shè)備時(shí)，要求設(shè)備具有將特定樣品環(huán)境狀態(tài)在線長(zhǎng)期保持的能力。

（3）頻繁更換背景。由于兩次微觀結(jié)構(gòu)探測(cè)實(shí)驗(yàn)間具有間斷性，樣品環(huán)境設(shè)備也需要在每次實(shí)驗(yàn)開始時(shí)啟動(dòng)直至結(jié)束時(shí)停止，其啟動(dòng)與停止的頻率較高。同時(shí)由于不同樣品所需要的樣品環(huán)境一般有較大差異，所需要用到的樣品環(huán)境設(shè)備也不盡相同。例如第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中需要低溫環(huán)境而第二個(gè)實(shí)驗(yàn)需要給樣品施加拉應(yīng)力，因此在樣品環(huán)境設(shè)備的設(shè)計(jì)中需要考慮設(shè)備的易組合性，使得本次實(shí)驗(yàn)中不需要的設(shè)備可以與樣品環(huán)境脫離連接，或者保持連接但不影響所需樣品環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。

1.2 功能需求

（1）物理功能。在材料、工程、物理、化學(xué)、地球科學(xué)等許多學(xué)科的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為了更準(zhǔn)確地研究材料性能，都需要在對(duì)被試樣品施加穩(wěn)定的高壓，并配合特定的高溫或低溫條件。金屬材料的測(cè)試常有施加恒定拉應(yīng)力的要求。還有許多實(shí)驗(yàn)中需要有真空環(huán)境，例如同步輻射光源的真空紫外輻射實(shí)驗(yàn)站，此外，在中子脈沖實(shí)驗(yàn)中，為減少中子在空氣中傳播的損失，常需要將樣品置于真空環(huán)境中。

（2）化學(xué)需求。在一些測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，為了保護(hù)樣品表面（尤其是在加熱樣品時(shí)）、調(diào)節(jié)樣品表面化學(xué)成分或化學(xué)反應(yīng)的要求，需要向樣品環(huán)境中以一定的氣壓注入可以控制化學(xué)成分的氣體。

2 樣品環(huán)境設(shè)備的典型應(yīng)用

2.1 同步輻射光源

依據(jù)波長(zhǎng)的不同，光可以分為紅外線、可見(jiàn)光、X 射線等不同的波段，可以探索不同的領(lǐng)域。例如在醫(yī)院拍攝的CT片就是利用了X 射線的特性。同步輻射光也是光的一種，本質(zhì)上是電磁波。這種電磁波是在電子同步加速器上首次觀測(cè)到的，因此被為同步輻射光，并稱產(chǎn)生和利用同步輻射光的科學(xué)裝置為同步輻射光源。

在電子同步加速器中，電子以接近光速的速度作曲線運(yùn)動(dòng)，在延切線的方向就會(huì)發(fā)出同步輻射光，就像是“轉(zhuǎn)動(dòng)的傘面上甩出的水珠”。同步輻射光光束像頭發(fā)絲一樣細(xì)，大部分是亮度極強(qiáng)的X 光，使得研究人員得以觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，分析超稀釋的溶液，或觀察在瞬間發(fā)生的化學(xué)或生物反應(yīng)。

已建成的同步輻射光源一般有專門的樣品環(huán)境設(shè)備開發(fā)與維護(hù)團(tuán)隊(duì)，或依托其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品環(huán)境設(shè)備的研究。歐洲同步輻射光源（ESRF）開發(fā)了一整套實(shí)現(xiàn)各種功能的樣品環(huán)境設(shè)備[33]。例如為樣品提供0.1～200 GPa壓力的金剛石壓腔實(shí)驗(yàn)裝置、高、低溫恒溫器、真空爐、氣體反應(yīng)爐等。美國(guó)的SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室為同步輻射光源SSRL 開發(fā)了溫度、濕度、自動(dòng)更換樣品等一系列樣品環(huán)境設(shè)備[34]。德國(guó)的HZB 實(shí)驗(yàn)室為BESSYII 開發(fā)了樣品環(huán)境設(shè)備[35]。美國(guó)的NSLSII 同步輻射光源為每個(gè)實(shí)驗(yàn)站配備了特定的樣品環(huán)境設(shè)備[36]。

2.2 散裂中子源

作為一種高亮的X 射線，同步輻射光主要與原子外圍的電子云發(fā)生相互作用，因此原子的外圍電子越多，就越有利于微觀結(jié)構(gòu)的探測(cè)。適合使用同步輻射光探測(cè)的原子包括稀土元素、鉑、金等。

但對(duì)于氫、氦、碳、鋰等原子外圍電子稀少的輕元素，同步輻射光的探測(cè)效果就非常受限。而中子對(duì)上述輕元素、錳鈷鎳等過(guò)渡金屬和磁性都十分敏感，是一種與同步輻射光源形成互補(bǔ)的探測(cè)方法。

美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）為美國(guó)散裂中子源（SNS）開發(fā)了金剛石壓腔， 高溫（最高1 873 K），低溫（1.5～750 K） 以及其他特種設(shè)備[37-38]。歐洲散裂中子源（ESS）針對(duì)壓力、流體、溫度等樣品環(huán)境要求建立了紅外加熱型四橢圓反射罩高溫爐（最高設(shè)計(jì)溫度可達(dá)1 100 ℃）等多種樣品環(huán)境設(shè)備[39-41]。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局（NIST）開發(fā)了多種中子實(shí)驗(yàn)中使用的樣品環(huán)境設(shè)備[42]。德國(guó)高通量中子研究堆FRM-II也研制了多種樣品環(huán)境設(shè)備[43]。

3 樣品環(huán)境設(shè)備的典型測(cè)試

3.1 CSNS樣品環(huán)境

中國(guó)散裂中子源（CSNS）[29，44-45]的總體原理如圖1 所示，可簡(jiǎn)要概括為：（1）使用質(zhì)子加速器產(chǎn)生流強(qiáng)高、脈沖短的質(zhì)子束流；（2）使用質(zhì)子束流轟擊重金屬靶，產(chǎn)生高通量、短脈沖中子；（3）在靶站的周圍建造許多臺(tái)譜儀，測(cè)量中子脈沖打在樣品上產(chǎn)生的訊號(hào)，從而獲得樣品物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息。

圖1 中國(guó)散裂中子源（CSNS）總體原理[46]

樣品環(huán)境[47]是中子散射譜儀的重要設(shè)施之一，用于為中子散射實(shí)驗(yàn)中的樣品提供一個(gè)特殊的恒定環(huán)境，以使樣品處于特定的階段或狀態(tài)，Zhang 等[47]對(duì)CSNS 的樣品環(huán)境設(shè)備進(jìn)行了介紹。圖2所示為CSNS樣品環(huán)境的示意圖。

圖2 CSNS典型樣品環(huán)境示意圖

樣品固定在樣品桿的底端，置于樣品管中。樣品桿的頂端凸出樣品管，在更換樣品時(shí)，只需將樣品桿與樣品抽出樣品管，再將固定在另一根樣品桿底端的新樣品插入樣品管即可。樣品管內(nèi)的溫度通過(guò)恒溫器進(jìn)行控制，白波等[48]和胡海濤等[32，49]對(duì)CSNS的高、低溫恒溫設(shè)備進(jìn)行了研究。樣品管內(nèi)的真空度通過(guò)外接真空泵進(jìn)行控制。在需要時(shí)，可以通過(guò)氣氛注入口向樣品管內(nèi)充入特定氣體（例如氦氣）并控制樣品管內(nèi)的氣壓。

CSNS一期工程規(guī)劃建設(shè)20臺(tái)中子散射譜儀，用于開展量子和無(wú)序材料、材料科學(xué)與工程、軟物質(zhì)與生物科學(xué)、能源與環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究[45]。其中，正在建造中的磁粉成像譜儀將主要用于研究有序材料的微觀結(jié)構(gòu)，需要為其開發(fā)一套原位拉應(yīng)力樣品環(huán)境設(shè)備，用來(lái)研究有序材料在不同受力狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)變化。

依托東莞理工學(xué)院中子散射技術(shù)工程研究中心和東莞理工大科學(xué)裝置樣品環(huán)境聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，本文項(xiàng)目組研究并開發(fā)制作了真空拉應(yīng)力樣品環(huán)境樣機(jī)并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.2 真空拉應(yīng)力樣品環(huán)境樣機(jī)

圖3 CSNS真空拉應(yīng)力樣品環(huán)境樣機(jī)

所研制的真空拉應(yīng)力樣品環(huán)境樣機(jī)如圖3 所示。主要部件包括伺服電機(jī)、齒輪減速器、力傳感器與樣品桿。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所開發(fā)的原位拉應(yīng)力樣品環(huán)境需要滿足如下3個(gè)功能。

（1）可以遠(yuǎn)程伺服電機(jī)輸出拉力，電機(jī)需要具有停機(jī)制動(dòng)器自鎖功能，以提供不超過(guò)30 kN 的穩(wěn)定拉力載荷。拉力首先施加在樣品桿上，材料樣品一端使用螺紋與樣品桿底端相連，另一端使用特制的夾具固定在樣品管底部，這樣就可以將拉力施加在樣品上。

（2）在實(shí)驗(yàn)中樣品桿同樣需要承受拉力，但作為實(shí)驗(yàn)輔助配件不允許損壞，并且樣品環(huán)境對(duì)樣品桿的直徑有一定限制，所以應(yīng)該使用具有高強(qiáng)度和高剛度的材料制作樣品桿。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中通常有大量的樣品需要測(cè)試，而更換樣品的時(shí)間一般只有5 min，因此時(shí)應(yīng)該配備多根樣品桿，使得舊樣品可以被快速抽出樣品管，新樣品可以被快速置入。

（3）在實(shí)驗(yàn)中需要同時(shí)提供真空環(huán)境。為了減少中子在空氣中傳播的損失，樣品管中的真空度越高越好。真空模塊可以在樣品管中提供不超過(guò)10 Pa（0.01 MPa）真空度的真空環(huán)境。

樣機(jī)中伺服電機(jī)的額定功率750 W，額定扭矩2.37 N·m。齒輪減速器的傳動(dòng)比為25，用來(lái)增大扭矩輸出，并且電機(jī)和減速器都具有停機(jī)自鎖功能。力傳感器用于測(cè)量施加在樣品桿上的拉力，其最大測(cè)量值是50 kN。

3.3 真空拉應(yīng)力樣品環(huán)境實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試所研制的拉應(yīng)力樣品環(huán)境樣機(jī)的性能，使用一個(gè)長(zhǎng)30 mm，公稱直徑10 mm（M10），強(qiáng)度等級(jí)為8.8的不銹鋼螺栓作為樣品開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

（1）拉力保持測(cè)試

在進(jìn)行材料在拉應(yīng)力條件下的中子散射實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間通常需要數(shù)小時(shí)。在實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過(guò)程中，拉應(yīng)力樣品環(huán)境設(shè)備必須始終提供實(shí)驗(yàn)所需的拉力。在本測(cè)試中，將實(shí)驗(yàn)拉力設(shè)定為1.495 kN，伺服電機(jī)在達(dá)到所需扭矩之后進(jìn)行停機(jī)制動(dòng)，利用自鎖功能維持所需的扭矩。通過(guò)力傳感器采集了電機(jī)停機(jī)制動(dòng)后5 h內(nèi)的拉力數(shù)據(jù)，測(cè)試表明所研制的拉應(yīng)力樣品環(huán)境設(shè)備可以提供穩(wěn)定的拉力。電機(jī)停機(jī)制動(dòng)后的拉力損失也在可接受范圍內(nèi)。

（2）樣品斷裂測(cè)試

為測(cè)試所設(shè)計(jì)的拉應(yīng)力樣品環(huán)境設(shè)備的輸出最大拉力（30 kN）的能力，將伺服電機(jī)輸出的扭矩以多次加載的方式逐步增加，每次加載后停機(jī)制動(dòng)10 min，然后再開機(jī)加載，直至輸出拉力達(dá)到30 kN。由于測(cè)試中使用的不銹鋼螺栓理論上可承受的最大拉應(yīng)力為36 kN，在拉力穩(wěn)定在35 kN 左右時(shí)，螺栓應(yīng)有較明顯的形變，隨著拉力持續(xù)時(shí)間的增加，螺栓將會(huì)發(fā)生斷裂。如圖4所示，實(shí)驗(yàn)表明所研制的設(shè)備可以有效輸出最大設(shè)計(jì)拉力。

圖4 樣品斷裂測(cè)試?yán)虞d

圖5 樣品管內(nèi)氣壓隨時(shí)間變化情況

（3）真空度保持測(cè)試

為測(cè)試真空模塊在樣品管內(nèi)保持指定真空度的能力，設(shè)計(jì)了真空度保持實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)開始前，樣品管內(nèi)的氣壓由真空泵抽至1 Pa，作為實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài)；接著關(guān)掉真空泵，在接下來(lái)的5 h內(nèi)記錄樣品管內(nèi)的氣壓變化，如圖5所示。該樣機(jī)的真空設(shè)備完全符合大科學(xué)裝置實(shí)驗(yàn)的要求。

4 樣品環(huán)境設(shè)備的發(fā)展方向

隨著我國(guó)同步輻射光源和散裂中子源的升級(jí)與持續(xù)建設(shè)，樣品環(huán)境設(shè)備的需求也變得越來(lái)越大且多樣化，如何解決物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際需求，還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

（1）極端環(huán)境適應(yīng)性。隨著人類探索活動(dòng)向太空、深地、海底等極端環(huán)境拓展，對(duì)材料在極端環(huán)境使用的需求不斷增強(qiáng)，揭示材料在極端環(huán)境中微觀結(jié)構(gòu)的性能演化越來(lái)越受到重視。如何針對(duì)這些需求開發(fā)樣品環(huán)境設(shè)備，是未來(lái)的重要挑戰(zhàn)。

（2）高可靠性。因同步輻射光和中子散射實(shí)驗(yàn)間歇進(jìn)行、要求多變的特點(diǎn)，樣品環(huán)境設(shè)備工作在強(qiáng)輻射、頻繁間歇啟停、頻繁改變工作狀態(tài)的運(yùn)行工況下，給其可靠運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在國(guó)際上目前已投入運(yùn)行的散裂中子源中，關(guān)于樣品環(huán)境設(shè)備可靠性與健康監(jiān)測(cè)的研究與報(bào)道較為少見(jiàn)，如何保證樣品環(huán)境設(shè)備的可靠運(yùn)行同樣需要進(jìn)一步深入研究。

（3）復(fù)合環(huán)境適應(yīng)性。樣品環(huán)境是由多種條件（溫度、壓力、磁場(chǎng)、氣氛等）組成的復(fù)雜體系。多種樣品環(huán)境條件的耦合問(wèn)題，尤其是在極端環(huán)境下，不同條件間是否會(huì)互相影響，還需要在理論與實(shí)踐中繼續(xù)研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）隨著小科學(xué)時(shí)代向大科學(xué)時(shí)代的轉(zhuǎn)變，大科學(xué)裝置日益受到全球科學(xué)研究的重視，而樣品環(huán)境設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造對(duì)大科學(xué)研究具有實(shí)用價(jià)值。

（2）在分析大科學(xué)裝置對(duì)樣品環(huán)境設(shè)備的需求基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了樣品環(huán)境設(shè)備的設(shè)計(jì)與典型應(yīng)用，對(duì)大科學(xué)裝置樣品環(huán)境的研究具有重要的意義。

（3）本文介紹了課題組圍繞CSNS大科學(xué)裝置研究的典型樣品環(huán)境設(shè)備，開展了測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明，研發(fā)的樣品環(huán)境設(shè)備可以滿足大科學(xué)裝置的要求，對(duì)其他類似樣品環(huán)境設(shè)備的研究具有參考作用。