[行業(yè)動(dòng)態(tài)]“超級(jí)顯微鏡”——探秘中國散裂中子源

散裂中子源產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子，通過測(cè)量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程，探測(cè)樣品原子核的位置和運(yùn)動(dòng)狀況，為材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域的研究和工業(yè)應(yīng)用提供先進(jìn)的研究平臺(tái)。中國散裂中子源是我國“十二五”期間建設(shè)的規(guī)模最大的大科學(xué)裝置，將成為世界上第四臺(tái)脈沖式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探測(cè)核外電子來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的同步輻射裝置互為補(bǔ)充，都是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具。

      1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們認(rèn)識(shí)到原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。

當(dāng)中子入射到樣品上時(shí)，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測(cè)量散射的中子能量和動(dòng)量的變化，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(yùn)動(dòng)規(guī)律，告訴人們?cè)雍头肿拥奈恢眉捌溥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種研究手段就叫中子散射技術(shù)。

做一個(gè)較為形象的比喻，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(yùn)動(dòng)軌跡記錄下來，就能大致推測(cè)出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)。

由于中子不帶電、具有磁矩、穿透性強(qiáng)，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(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一，是多學(xué)科研究中探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)有力手段。

同步輻射產(chǎn)生的高亮度X射線，主要與原子外圍的電子云發(fā)生相互作用，從而探知物質(zhì)的微觀信息；而中子是電中性的，它與電子云基本不發(fā)生相互作用，主要與物質(zhì)中的原子核相互作用。因此，作為探測(cè)微觀結(jié)構(gòu)的兩種主要探針，同步輻射和中子散射看到的正好是物質(zhì)的兩個(gè)不同的方面。這種優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，已經(jīng)被許多學(xué)科用來準(zhǔn)確地研究物質(zhì)中原子的位置、排列、運(yùn)動(dòng)和相互作用等.

我們要進(jìn)行中子散射的研究，要用中子做探針，去開展各種各樣的研究，就必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉?，先進(jìn)的中子源是中子科學(xué)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(xué)家不斷努力追求的目標(biāo)。高通量的中子源包括反應(yīng)堆中子源和散裂中子源。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大的作用。通常使用235U作為核燃料，每次核裂變產(chǎn)生一個(gè)有效中子，而釋放180MeV的熱量。堆芯中如此大量的熱量必須及時(shí)有效地帶出，才能保證反應(yīng)堆正常運(yùn)行。正是因?yàn)槎研旧釛l件的限制，反應(yīng)堆中子通量在上世紀(jì)六、七十年代就達(dá)到了飽和。

隨著科技的進(jìn)步，相應(yīng)的研究體系如薄膜、納米團(tuán)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(jí)的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測(cè)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(yīng)運(yùn)而生。

與核反應(yīng)堆中子源相比，散裂中子源具有許多獨(dú)特性能：高脈沖通量，豐富的高能短波中子，優(yōu)越的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)。

散裂中子源除長波（低能）中子外，還有豐富的短波（高能）中子，為高能量和高動(dòng)量轉(zhuǎn)移的中子散射提供了保證，適于研究原子尺度微結(jié)構(gòu)和研究較高能量的激發(fā)（光學(xué)聲子、氫原子擴(kuò)散等）。散裂中子源的脈沖特性，可以同時(shí)利用幾乎所有波長的中子，適合測(cè)量大動(dòng)量（能量）范圍里的散射截面，全面反映結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)信息。

由于散裂中子源的這些獨(dú)特的性能，以及國際社會(huì)對(duì)安全評(píng)估要求越來越嚴(yán)，發(fā)達(dá)國家普遍利用散裂中子源進(jìn)行中子散射研究。

裝置探秘：小中子，大裝置

雖然中子是如此微小，但產(chǎn)生強(qiáng)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。

世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源主要有英國的 ISIS、美國的 SNS 和日本的J-PARC。

中國散裂中子源（CSNS）將成為發(fā)展中國家的第一臺(tái)散裂中子源，躋身世界四大脈沖散裂中子源行列，從而大幅提升中國基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平。

CSNS 整個(gè)裝置建在13米到18米的地下。其主要建設(shè)1臺(tái)束流能量為80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái)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(yùn)線、1個(gè)靶站、3臺(tái)譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程。CSNS一期工程中子譜儀數(shù)量為3臺(tái)（最多可建20臺(tái)），束流功率為100kW，且預(yù)留了進(jìn)一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升級(jí)空間。

下圖給出了CSNS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。離子源產(chǎn)生的負(fù)氫離子束流，通過射頻四極加速器（RFQ）聚束和加速后，由漂移管直線加速器（DTL）把束流能量進(jìn)一步提高到80兆電子伏特，負(fù)氫離子經(jīng)剝離后注入到快循環(huán)同步加速器（RCS）中，使束流達(dá)到最后能量16億電子伏特。從RCS引出的高能質(zhì)子束流經(jīng)傳輸線打向鎢靶，釋放出中子，這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流，中子再經(jīng)慢化后與實(shí)驗(yàn)樣品發(fā)生散射，由中子散射譜儀探測(cè)，供用戶開展實(shí)驗(yàn)研究。

設(shè)備研制：國產(chǎn)化率超過96%

CSNS由中科院和廣東省共同建設(shè)，選址于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，規(guī)劃用地1000畝，首期用地400畝。項(xiàng)目預(yù)計(jì)總投資為二十三億元人民幣。中科院高能物理研究所是該工程建設(shè)的法人單位，共建單位為中科院物理研究所。

CSNS的建設(shè)涉及大量先進(jìn)技術(shù)，項(xiàng)目從2006年起開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)制研究工作，攻克了眾多技術(shù)難題。加速器、靶站和譜儀工藝設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國近百家合作單位完成，許多設(shè)備的研制在達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平，設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到96%以上。

2011年10月，散裂中子源建設(shè)奠基。2014年10月，加速器首臺(tái)設(shè)備——負(fù)氫離子源進(jìn)入隧道安裝。目前，項(xiàng)目土建工程已經(jīng)完成，加速器和靶站設(shè)備安裝基本完成，譜儀設(shè)備安裝緊張進(jìn)行中，直線加速器正在調(diào)束。工程總體進(jìn)展順利，計(jì)劃將于2018年竣工驗(yàn)收。

應(yīng)用前景：多學(xué)科研究新平臺(tái)

1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，事故元兇竟然是老化的車輪。車輪在英國散裂中子源上檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中的內(nèi)部裂痕。

事實(shí)上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機(jī)使用壽命和安全性。但是，這個(gè)應(yīng)力看不到、摸不著，對(duì)它的研究成了避免類似災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上測(cè)量研究輪軌和機(jī)翼的剩余應(yīng)力，優(yōu)化機(jī)械加工工藝，使高鐵和飛機(jī)變得更安全舒適。

CSNS裝置的建設(shè)大大加強(qiáng)了國內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的國際交流和合作，為我國的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供了良好的機(jī)遇。

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