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“超级显微镜”:探秘中国散裂中子源—新闻—

发布时间:2017-12-04 阅读:

  “超级显微镜”:探索中国散裂中子源 - 新闻 - 科学网

  散裂中子源产生强烈的脉冲中子。通过测量样品中子束的散射反应过程,探测样品核的位置和运动,材料科学技术,生命科学,物理化学和化学,资源与环境,新能源等许多为研究和工业应用领域提供先进的研究平台。中国的“散裂中子源”是“十二五”期间建成的最大科学装置,将成为世界上第四个脉冲中子源,散射中子源和同步辐射装置利用核外电子的X射线探测研究物质结构相辅相成,是研究物质结构的有力工具。

  中子散射:微观世界的研究工具

  查德威克于1932年发现了中子,认识到原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。中子的发现和应用是20世纪最重要的科学技术成果之一。

  当一个中子入射到样品上时,它与它的原子核或力矩相互作用而引起散射。通过测量散射中子的能量和动量的变化,我们可以研究原子和分子尺度上各种物质的微观结构和运动模式,告诉人们他们的位置和运动。这种研究方法被称为中子散射技术。

  比较生动的比喻,假设我们面前有一个无形的网。我们继续扔很多玻璃弹珠。有些弹珠穿过网,而另一些弹珠打网,发挥不同的角度。如果你记录这些弹珠的轨迹,你可以大致推断出网的形状;如果弹珠足够密集,足够强大,你可以准确地描绘这个网,甚至推断出它的材料。

  中子是非破坏性的,因为它们是不带电的,具有磁矩,并且具有很高的穿透性。他们可以区分轻元素,同位素和邻居。这些性质使中子散射成为研究物质结构和动力学的理想探测器之一,是多学科研究探索物质微观结构和原子运动的有力工具。

  补充优势:同步辐射和中子源

  同步辐射产生的高强度X射线主要与原子周围的电子云相互作用,以检测物质的微观信息。中子是电中性的,基本上不与电子云,核相互作用。因此,作为探测微观结构的两个主要探针,同步辐射和中子散射正好可以看到物质的两个不同方面。这种互补的优势,已被许多学科用来准确地研究原子在材料的位置,排列,运动和相互作用。

  Al 2(PO 3 CH 3)3(甲基沸石)结构

  红色和白色部分分别是同步辐射和中子散射结构分析的结果

  我们需要研究中子散射。如果我们想以中子为探针进行各种研究,就必须有一个合适的中子源。先进的中子源是中子科学研究的基础。如何获得产生高通量中子的中子源一直是科学家不断追求的目标。高通量中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一个稳定持续的中子源,在中子科学研究中发挥着巨大的作用。通常使用235U作为核燃料,为每个核裂变产生一个活性中子并释放180MeV的热量。必须及时有效地引出堆芯中的大量热量,以保证反应堆的正常运行。正是由于反应堆堆芯冷却条件的限制,反应堆中子通量在20世纪60年代和70年代达到了饱和状态。

  随着科学技术的进步,薄膜,纳米团簇,生物大分子和蛋白质等相应的研究体系具有较大的尺度分布,难以按克数获得样品。因此,小样本的快速,高分辨中子散射测量迫切需要新一代高通量,宽带中子源,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的性质:高脉冲通量,丰富的高能短波中子,优越的脉冲时间结构。

  散裂中子源除了长波(低能)中子外,还具有丰富的短波(高能)中子,为中子散射提供了高能量,高动量转移的保证。高能量激发(光学声子,氢原子扩散等)。散裂中子源的脉冲特性使得可以同时利用几乎所有波长的中子,并在大动量(能量)范围内测量散射截面,以充分反映结构和动态信息。

  由于散裂中子源的这些独特性质和国际社会日益严格的安全评估要求,中子散射研究在发达国家通常使用散裂中子源。

  设备探索:小型中子,大型设备

  尽管中子很小,但产生强中子束的散裂中子源是异常大的器件,它们是各种高精尖尖端器件的组成部分。

  世界领先的脉冲中子源主要是英国的ISIS,美国的SNS和日本的J-PARC。

  中国的散裂中子源(CSNS)将成为发展中国家第一个散裂中子源,跻身世界四大零星中子源家族,大幅提升中国基础研究和高科技水平。

  CSNS的整个安装位于13米至18米的地下。主要建立了一束能量为80MeV的负氢离子直线加速器,一个能量为16亿eV的快速循环质子同步加速器,两条光束传输线,一个靶台,三套光谱仪及相应的配套设施,土木工程。 CSNS I相中子能谱仪的数量为三台(最多可建20台),功率为100kW。预留了提升梁功率至500kW的升级空间和升级第二个目标台的空间。

  下图显示了CSNS系统的示意图。由离子源产生的负氢离子束通过射频四极杆加速器(RFQ)进行凝聚和加速,并且通过漂移管直线加速器(DTL)将射束能量进一步增加到80MeV。负氢离子被剥离后,进入快速循环同步加速器(RCS),使光束最终能量为16亿eV。来自RCS的高能质子束通过传输线撞击钨靶并释放中子。这些中子形成一个非常强的中子束。中子散射光谱后由中子散射光谱仪检测,经实验样品散射后散射,供用户进行实验研究。

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  设备开发:国产化率超过96%

  CSNS由中国科学院和广东省共同组建。它位于广东省东莞市大朗镇。占地面积1000亩,一期占地400亩。预计项目总投资23亿元。中国科学院高能物理研究所是中国科学院物理研究所联合法人实体的建设。

  CSNS的建设涉及大量的先进技术。自2006年以来,该项目对关键技术进行了一系列预制研究,解决了许多技术难题。在全国近百个合作单位完成了加速器,目标站和光谱仪加工设备的大规模生产。许多设备的发展达到国内外先进水平,设备国产化率达到96%以上。

  2011年10月,散裂中子源建设的基础。 2014年10月,加速器的第一个氢离子源安装在隧道内。目前,土建工程已经完成,加速器和目标站设备安装基本完成,光谱仪设备安装正在进行中,直线加速器正在调整中。项目整体进展顺利,项目2018年竣工并竣工。

  直隧道

  环形隧道

  目标站

  应用前景:一个新的多学科研究平台

  1998年6月,德国一个城际快车突然出轨,罪魁祸首原来是一个老旧轮胎。在英国的碎片中子源测试车轮,发现其中一个内部裂纹。

  事实上,高速铁路的轮轨,飞机的涡轮机在机翼上都有应力,这就决定了高铁和飞机的使用寿命和安全性。然而,这种压力不能被看到或感动。它的研究已成为避免类似灾难的关键。现在科学家们已经能够测量散裂中子源上的链轮和机翼上的残余应力,并优化加工过程,使HSR和飞机更安全,更舒适。

  CSNS装置的建设,极大地促进了中国在中子散射科学和应用方面的国际交流与合作,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿占有一席之地提供了良好的机遇。

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