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中國散裂中子源首次打靶成功，獲得中子束流 一問：是什么？ 就像一臺“超級顯微鏡”，可以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu) “當一束中子入射到研究樣品上時，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態(tài)。這種研究手段就叫中子散射技術(shù)�！敝袊⒘阎凶釉垂こ炭傊笓]、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生說。 1932年，英國物理學家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們開始認識到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。中子的發(fā)現(xiàn)及應用是20世紀最重要的科技成就之一。由于中子不帶電，具有磁矩，且穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學性質(zhì)的理想探針之一，和X射線一樣，是多學科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運動的強有力手段。 陳和生進一步解釋說：“打個比方，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來，就能大致推測出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)�！� 然而，進行中子散射的研究，需要用中子做探針，就必須有一個適當?shù)闹凶釉矗冗M的中子源是中子科學研究的基礎(chǔ)。如何能獲得產(chǎn)生高通量中子的中子源，一直是科學家不斷努力追求的目標。 高通量的中子源包括反應堆中子源和散裂中子源。核反應堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學研究中發(fā)揮了巨大的作用。但由于反應堆散熱技術(shù)的限制，反應堆中子通量在上世紀六七十年代就達到了飽和。隨著科技的進步，相應的研究體系如薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等，尺度分布更大，獲得數(shù)量在克量級的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應運而生。 “它是用來自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強的中子束流，中子慢化（中子與介質(zhì)原子核碰撞，引起中子能量減少而減速的現(xiàn)象）后與樣品發(fā)生散射，最后由中子散射譜儀接收，我們科研人員就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測物體的微觀特征。通俗點說，散裂中子源就像一臺‘超級顯微鏡’，可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)�！标惡蜕f。 二問：長啥樣？ 異常龐大，建在13米到18米深的地下 由于散裂中子源的這些獨特性能，以及國際社會對安全評估要求越來越嚴，發(fā)達國家普遍利用散裂中子源進行中子散射研究。目前，世界上正在運行脈沖式散裂中子源的國家主要有英國、美國和日本。中國散裂中子源建成后將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，躋身世界四大脈沖散裂中子源行列，從而大幅提升我國基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平。 雖然中子如此微小，但產(chǎn)生強中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。 記者在現(xiàn)場看到，CSNS隧道內(nèi)裝置建在13米到18米深的地下。主要建設(shè)內(nèi)容包括1臺束流能量為80兆電子伏特的負氫離子直線加速器、1臺束流能量為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站和3臺譜儀，以及相應的配套設(shè)施和土建工程。 陳和生說：“CSNS一期工程中子譜儀數(shù)量為3臺，將來最多可建到20臺。目前束流功率為100千瓦，我們還預留了進一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升級空間�！� 首批建設(shè)的3臺譜儀為通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀。 “通用粉末衍射儀主要用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)；多功能反射儀通過分析來自樣品的反射中子，研究物質(zhì)的表面和界面結(jié)構(gòu)；小角散射儀用于探測物質(zhì)體系在1—100納米尺度內(nèi)的微觀和介觀（介于宏觀與微觀之間的一種體系）結(jié)構(gòu)�！标惡蜕f。 三問：有啥用？ 可使高鐵和飛機更安全舒適，能用于腫瘤的放射性治療研究 散裂中子源可以產(chǎn)生強脈沖中子，并通過測量中子束流在樣品的散射反應過程，探測樣品原子核的位置和運動狀況，因此，在材料科學技術(shù)、生命科學、物理、化學化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛應用前景。 陳和生舉了個例子�！�1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國散裂中子源上檢測的，發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕�！� 事實上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼，里面都有應力，它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應力看不到、摸不著，對它的研究成了避免災難發(fā)生的關(guān)鍵。現(xiàn)在科學家已經(jīng)可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩余應力，優(yōu)化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。 陳和生說：“散裂中子源技術(shù)在生物、生命、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域也發(fā)揮著X射線無法替代的作用，并與同步輻射光源互為補充，成為基礎(chǔ)科學研究和新材料研發(fā)的最重要平臺之一。例如，散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究，已在許多發(fā)達國家得到應用。還有，在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩(wěn)定條件，其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學依據(jù)。” |
