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散裂中子源,其作用和显微镜、X射线有着异曲同工之妙,它们就像眼睛的延伸,去探索人类用肉眼所难见的奇妙复杂的物质微观世界。X射线能“拍摄”人体的医学影像,而在材料学、化学、生命科学、医药等领域,科学家们更希望有一种高亮度的“中子源”,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。散裂中子源应运而生,它就像一台超级显微镜,研究诸如DNA、结晶材料、聚合物等等的结构,揭开这大千世界的神秘面纱。

目前世界上只有英国、美国和日本三个国家拥有脉冲散裂中子源,中国散裂中子源建成后,将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,成为我国最大的科学装置。中国散裂中子源的建设,将促进我国在重要前沿研究领域实现新突破,它承载着华夏民族的自尊、自信与自强,将在中国跻身世界科技强国之林的道路上,迈出坚定的步伐! >> 观看散裂中子源原理视频

中子及其特性

X射线和中子都是探索物质微观结构的探针,那它们的不同之处在哪里?

我们都知道,原子是由原子核和带负电的电子构成,而原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成。

中子不带电、具有磁矩、穿透性强,且对样品具有非破坏性,这些性质使得中子成为研究物质结构的理想探针。

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。X射线和中子散射看到的正好是物质两个不同的方面,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。

如何得到和控制中子

既然中子有这么好的特性,适合当人类观察微观世界的“眼睛”,那我们如何去得到和控制中子?也就是说,要用中子做探针,必须有一个适当的中子源。

散裂中子源的基本原理,是用高能强流质子加速器产生能量1GeV以上的质子束,轰击重元素靶(如钨或铀),在靶中发生散裂反应,产生大量的中子。当一个高能质子,打到重原子核上时,一些中子被轰击出来,这个过程被称为散裂反应。被轰击的原子核温度升高,更多的中子就会“沸腾”起来并脱离原子核的束缚。如果将一个垒球用力投到装满球的筐中,有一些球会立刻蹦出来,而更多的球则会弹跳并翻出筐外,散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。

 

中国迄今最大的科学装置——中国散裂中子源(CSNS)

中国散裂中子源是国家“十一五”期间立项、“十二五”重点建设的大科学装置,是国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台,建成后将成为中国最大的科学装置。

项目由中国科学院和广东省共同建设,选址于广东省东莞市,规划用地1000亩,将于2017年前后建成,项目预计总投资约为十七亿元人民币。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。项目建设周期为开工之日起的6.5年。

建成后,CSNS将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,和世界上正在运行的美国散裂中子源、日本散裂中子源与英国散裂中子源一起,构成世界四大脉冲散裂中子源。

探秘中国散裂中子源原理和结构

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,它不是一台放在实验桌上的仪器,而是数量庞大的各种各类高、精、尖设备和仪器所组成的一个有机的整体。这类装置占地动辄数百亩,耗资以数十亿计。

中国散裂中子源项目建设内容包括:一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器(RCS)、一个靶站、3台中子谱仪,以及与其配套的辅助设施和土建工程。其原理是:离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器聚束和加速后,由漂移管直线加速器把束流能量进一步提高,负氢离子经剥离注入到一台快循环同步加速器中,把束流加速到最后能量1.6GeV。从环形加速器引出的功率为100kW质子束流经传输线打向钨靶,在靶上产生的散裂快中子经慢化,再通过中子束道和中子导管引向中子谱仪,供用户开展实验研究。

散裂中子源是安全的科学装置

散裂中子源的加速器运行时会有少量的粒子丢失而产生次级粒子,如:γ射线和中子等,这些次级粒子都具有放射性,通称为瞬发辐射。但只要加速器一停机,瞬发辐射即消失,同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。

此外,加速器运行时因活化还会产生一定量的放射性物质,如固体、液体和气体等。散裂中子源因活化产生的放射性物质总量,一般比反应堆中子源低5~6个量级,对环境的影响要小得多。散裂中子源与核武器、中子弹更是毫无关系,完全是风马牛不相及的事情。散裂中子源产生的中子是在设计的真空通道内运行的,到达指定的位置,对样品进行照射,分析样品的微观结构,这就像人们利用X射线检查身体一样。加速器是通过电子器件自动控制起停的,一旦出现故障,可以在几毫秒内自动关闭加速器。

散裂中子源的应用

散裂中子源在日常生活中的应用非常广泛,包括化学、磁学、超导、结晶材料、医学、结构生物学等多个领域都有散裂中子源的应用。

·化学

·磁学和超导

·结晶材料

·医药/结构生物学

·聚合物

·复杂流体

·工程

国外的散裂中子源

世界上已建成的脉冲式散裂中子源主要有:英国散裂中子源(ISIS)、美国散裂中子源(SNS)和日本散裂中子源(J-PARC)。SNS和J-PARC的设计束流功率超过或达到了1MW。

从上世纪八十年代建成一直到2007年,一直是世界上亮度最高的散裂中子源——英国卢瑟福实验室的ISIS,利用直线加速器将负氢离子加速到70MeV,通过剥离注入到快循环同步加速器,把质子进一步加速到800MeV后轰击钨靶,产生通量为8×1015/cm2/s的脉冲中子,其脉冲中子通量已高出通量最高的反应堆近一个量级。

到二十世纪九十年代,美、日、欧等发达国家开始认识到能提供更高中子通量和更高中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位,相继提出建设束流功率为兆瓦量级的散裂源。它们能产生比反应堆高上百倍的有效中子通量,和第三代同步辐射光源相辅相成,又互相不可替代地为多学科的创新研究提供了强大的研究平台。