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“超级显微镜”:探秘中国散裂中子源
 

 

       散裂中子源产生强脉冲中子,通过测量中子束流在样品的散射反应过程,探测样品原子核的位置和运动状况,为材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。中国散裂中子源是我国“十二五”期间建设的规模最大的大科学装置,将成为世界上第四台脉冲式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探测核外电子来研究物质结构的同步辐射装置互为补充,都是研究物质结构的强有力工具。

中子散射:微观世界研究利器

1932年,查德威克发现了中子,人们认识到原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。

当中子入射到样品上时,与它的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这种研究手段就叫中子散射技术。

做一个较为形象的比喻,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。

由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。

优势互补:同步辐射和中子源

同步辐射产生的高亮度X射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,从而探知物质的微观信息;而中子是电中性的,它与电子云基本不发生相互作用,主要与物质中的原子核相互作用。因此,作为探测微观结构的两种主要探针,同步辐射和中子散射看到的正好是物质的两个不同的方面。这种优势互补,已经被许多学科用来准确地研究物质中原子的位置、排列、运动和相互作用等。

Al2(PO3CH3)3(甲基沸石)的结构

——红、白色部分分别是同步辐射和中子散射的结构分析结果

我们要进行中子散射的研究,要用中子做探针,去开展各种各样的研究,就必须有一个适当的中子源,先进的中子源是中子科学研究的基础。如何能获得产生高通量中子的中子源,一直是科学家不断努力追求的目标。高通量的中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一种稳定连续的中子源,在中子科学研究中发挥了巨大的作用。通常使用235U作为核燃料,每次核裂变产生一个有效中子,而释放180MeV的热量。堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出,才能保证反应堆正常运行。正是因为堆芯散热条件的限制,反应堆中子通量在上世纪六、七十年代就达到了饱和。

随着科技的进步,相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等,尺度分布更大,获得数量在克量级的样品更为困难。因此,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源,散裂中子源应运而生。

与核反应堆中子源相比,散裂中子源具有许多独特性能:高脉冲通量,丰富的高能短波中子,优越的脉冲时间结构。

散裂中子源除长波(低能)中子外,还有丰富的短波(高能)中子,为高能量和高动量转移的中子散射提供了保证,适于研究原子尺度微结构和研究较高能量的激发(光学声子、氢原子扩散等)。散裂中子源的脉冲特性,可以同时利用几乎所有波长的中子,适合测量大动量(能量)范围里的散射截面,全面反映结构和动态信息。

由于散裂中子源的这些独特的性能,以及国际社会对安全评估要求越来越严,发达国家普遍利用散裂中子源进行中子散射研究。

装置探秘:小中子,大装置

虽然中子是如此微小,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置,是各种高、精、尖设备组成的整体。

世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国的 ISIS、美国的 SNS 和日本的J-PARC。

中国散裂中子源(CSNS)将成为发展中国家的第一台散裂中子源,跻身世界四大脉冲散裂中子源行列,从而大幅提升中国基础研究和高技术的水平。

CSNS 整个装置建在13米到18米的地下。其主要建设1台束流能量为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流能量为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。CSNS一期工程中子谱仪数量为3台(最多可建20台),束流功率为100kW,且预留了进一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升级空间。

下图给出了CSNS系统构成示意图。离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器(RFQ)聚束和加速后,由漂移管直线加速器(DTL)把束流能量进一步提高到80兆电子伏特,负氢离子经剥离后注入到快循环同步加速器(RCS)中,使束流达到最后能量16亿电子伏特。从RCS引出的高能质子束流经传输线打向钨靶,释放出中子,这些中子形成非常强的中子束流,中子再经慢化后与实验样品发生散射,由中子散射谱仪探测,供用户开展实验研究。

 

设备研制:国产化率超过96%

CSNS由中科院和广东省共同建设,选址于广东省东莞市大朗镇,规划用地1000亩,首期用地400亩。项目预计总投资为二十三亿元人民币。中科院高能物理研究所是该工程建设的法人单位,共建单位为中科院物理研究所。

CSNS的建设涉及大量先进技术,项目从2006年起开展了一系列关键技术的预制研究工作,攻克了众多技术难题。加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,许多设备的研制在达到国内外先进水平,设备国产化率达到96%以上。

2011年10月,散裂中子源建设奠基。2014年10月,加速器首台设备——负氢离子源进入隧道安装。目前,项目土建工程已经完成,加速器和靶站设备安装基本完成,谱仪设备安装紧张进行中,直线加速器正在调束。工程总体进展顺利,计划将于2018年竣工验收。

直线隧道

环隧道

靶站

应用前景:多学科研究新平台

1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,事故元凶竟然是老化的车轮。车轮在英国散裂中子源上检测,发现其中的内部裂痕。

事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免类似灾难发生的关键。现在科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。

CSNS装置的建设大大加强了国内中子散射科学和应用界的国际交流和合作,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿领域占据一席之地提供了良好的机遇。

 

来源:科学网

链接:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/5/375132.shtm

编辑:贾铭

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