航天器在太空中与微小的宇宙尘埃发生碰撞、飞机起飞时突然受到鸟的撞击或者冰雹撞击、工业过程中的锻造和冲压……

在力学上，这些情境被称为“超快速加载”，指的是材料或结构在极短时间内承受高速、高强度外力作用，导致内部快速变形与损坏。那么，这一瞬间出现的塑性变形、微小裂纹、损伤甚至相变，如何去捕捉？

国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目“材料内部变形损伤过程的超快时、高分辨、强穿透同步辐射原位表征分析系统”就是致力于看清材料或结构内部在“超快速加载”下产生的变形与损伤。该项目由中国工程物理研究院成都科学技术发展中心承担，于近期获得验收。

项目负责人罗胜年教授向《中国科学报》介绍：“这一系统旨在给科学家一双神奇的‘透视眼’，使其在动态力学事件中对材料变形和损伤等过程‘看得见、看得清’。”

实验人员正在调试仪器部件。受访者供图

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一项有潜力的诊断技术

力学是一门古老且重要的学科，在许多领域中发挥着不可替代的作用。不过，近年来，许多力学家看到，一些传统研究方法已经难以满足现代科研的需求。

具体到实验力学领域，对力学加载下材料内部结构进行原位实时测量是亟待突破的瓶颈。10多年前，在一次力学领域的大型学术会议上，当罗胜年在报告中提到一项新诊断技术时，在座的力学同行的眼睛亮了。

“大家都认为这项技术非常有潜力，建议我们申请国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目，以实现这项新兴的诊断技术。”罗胜年回忆说。

不久后，他们带着同行的期待，成功申请到国家重大科研仪器研制项目“材料内部变形损伤过程的超快时、高分辨、强穿透同步辐射原位表征分析系统”。

当时，国内领域的专家普遍看好该项目的创新性，也一致认为真正实现这一系统，还面临着巨大的技术挑战。

超快速加载下的材料变形和损伤过程是一个瞬息万变的微观世界，时间极短、尺度极小。这种极端条件下的强动载荷对材料的微观结构演化产生强烈影响，会产生晶格畸变、微裂纹或微孔洞萌生与扩展、相变等一系列复杂的微介观物理现象。这意味着这台仪器需要具备极高的时间与空间分辨率来捕捉这些瞬态变化。

在长达7年的项目实施过程中，科研人员始终坚守初心，不畏艰难险阻，勇攀科学高峰，最终铸就了这双“透视眼”。

他们将动态力学载荷、极端环境与基于同步辐射光源的原位实时X射线诊断技术三者相结合，成功实现了立项之初设计的各项指标。

同时，项目形成了集成多种动态加载技术和原位实时诊断技术的同步辐射X射线综合性研究平台，具有多尺度、多物理、多环境的研究能力，可用于研究力学、材料科学和环境能源等领域中的多空间尺度（特别是微介观）、多时间尺度的冲击动力学问题，并提供研究这些科学问题所需要的极端加载、诊断和分析手段。

令科研团队感到欣慰的是，期待中的科学成果如约而至。科学家们利用这台“透视眼”开展的相关测量，已经在金属镁的孪生变形、氯化钾的超快相变动力学、复合材料高速侵彻、裂纹传播以及增材制造高温合金的原位观测等方面取得了一系列进展。

在近期举行的项目验收会上，这套仪器系统得到了专家们的高度评价。有专家认为，该仪器系统提高了我国冲击动力学测量分析仪器方面的自主设计及研发能力，推动了我国在动态力学和极端条件物质科学研究领域的发展。

从灵光一现到有用的系统

据了解，这套仪器系统将动态同步辐射X射线诊断技术引入实验力学和动态物质科学领域，将传统动态性能测试方法与先进X射线探测技术相结合，是我国在大型科学仪器总体结构设计和综合测试思想上的一个创新。

多年前，罗胜年曾提出一个创新想法，将高能光源与冲击加载技术相结合，开展相衬成像和劳厄衍射等实验。此后，他又提出利用中能光源研制仪器的新想法。由于中能光源的能量和有效亮度相对较低，在这样的条件下实现高精度原位动态探测并不容易，需要开展大量创新工作。

该项目立项之初，中国科技发展正处于奋起直追的关键时期，科学家们渴望抓住每一个努力拼搏的机会。当罗胜年提出这一想法时，专家们表现出极大的热情。

然而，现实却很“骨感”。罗胜年说：“作为大科学装置的光源是仪器研发的基础条件，最让我们感到头痛的是国内没有成熟的光源。”当时，国内光源发展还处于起步阶段。为了确保项目顺利进行，他们积极与上海光源波荡器光源和光束线设计团队进行沟通，以达到仪器需要的光源条件。

与此同时，他们通过国际合作，逐步提升了自己的技术能力，完成各个加载和探测分系统的研制；重点开发了多种软件工具和数据分析方法，为后续的系统集成打下了坚实基础，确保各子系统的兼容性和协同工作能力。

2023年下半年，上海光源单脉冲束团模式调试成功之后，他们终于具备了在国内开展超快动态实验的条件。

作为一台依托光源设施的插入式仪器，这套仪器系统安装在上海光源的束线站上。按照惯例，实验完成后，科研人员需要将设备搬离束线站，以便让其他用户继续使用。

据了解，实验装置包含多个组件，总长度达几十米。这种大型设备的安装和调试本身就具有一定挑战性，尤其是在空间有限的束线站内。

从脑海中想法灵光一现到真正有用的高精尖仪器系统，他们的切身感受是“痛并快乐着”。“当时每天快节奏工作，没有时间考虑结果，有什么问题就解决什么问题，不内耗。”罗胜年表示，“我们都相信，只要物理原理没有问题，剩下的‘事在人为’，只需要付出试错和时间的代价。”当然，必不可少的是国家自然科学基金委数理学部的悉心指导、项目成员单位的通力合作，以及项目单位的支持保障。

从“光杆司令”到“百人团”

项目执行期间，罗胜年带领团队实现了多个“从无到有”。

编写仿真程序、处理超算任务、创制仪器硬件……哪怕是一个阀门，科研团队都要从零开始摸索着做。例如，为了实现对超快衍射信号的检测和分析，他们在探测器尺寸较小、几何受限的情况下，自主研发了一系列软件工具，搭建了超算系统，助力衍射实验设计和数据解读。

“我那时还是‘光杆司令’，带的第一个博士生都还没毕业。”罗胜年表示。

在国内科研创新生态尚未成熟的情况下，相关人才队伍的培养也严重滞后。罗胜年不得不手把手教他们一些最基本的理论。

正是在这个过程中，罗胜年像“滚雪球”一样不断壮大队伍，如今团队已有100多名青年老师和研究生，成为名副其实的“百人团”。

一直以来，罗胜年以身作则，将科学精神融入实践。“首先对真理的执着追求，这是他们甘愿为科学奉献一生的动力，也是科研工作者的基本价值观。”他说。

其次采用批判性和开放性的思维方式，勇于挑战传统观念，开放性地接受新思想和新方法。这有助于从方法论层面为复杂问题找到解决方案。同时，勇于创新、不惧失败的品质也必不可少。

最后，协同攻关则是实现科研目标的关键。在大科学装置研发领域，大量实践已经证实，单打独斗往往难以取得突破。

“实验室中，大家紧密合作，分享各自的见解与经验，形成强大合力。这种协同不仅体现在实验执行上，更体现在理论探讨与数据分析中。”罗胜年表示，“我们往往在团队讨论中更全面地理解问题，寻找最佳解决方案。”

面向未来，罗胜年仍然将人才队伍的培养置于重要位置。依托项目研制的这套仪器系统，他们还将继续与上海光源合作，培养优质用户，扩大用户群体，充实动态X射线原位实时诊断方面的“动手型”人才队伍，进行高质高效的科学和应用研究。

《中国科学报》：目前，项目研发的这套仪器系统安装在上海光源的束线站上，将来会在其他地方复制吗？

罗胜年：近年来，我国的同步辐射光源建设发展迅速。科研团队正计划在其他的光源上，对这套仪器系统进行复制和扩充。

这套仪器系统将与我国最先进的X射线光源相结合，推动我国动态力学和动态物质科学的发展，令人期待。

《中国科学报》：对这套仪器系统有什么新的计划和期待？

罗胜年：我们计划提升这套仪器系统的应用价值。例如，将共性技术辐射到激光聚变、X射线自由电子激光等领域，包括将相衬成像和衍射技术应用于激光等离子光源的超快成像和超快衍射上。

我们期待它可以打开一扇通往微观世界的窗户，让科学家能以前所未有的精度“看见”材料在极端条件下的动态行为，揭示过去无法观察到的奥秘，探索物质科学未知领域，推动人类文明的发展。