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【学习时报】探索微观世界的“火眼金睛”
2021-12-21|文章来源:学习时报 |【
 

  陈和生,中国科学院院士,现任国家重大科技基础设施散裂中子源工程指挥部总指挥、北京正负电子对撞机国家实验室主任、中国科学院高能物理研究所研究员。他长期从事粒子物理实验研究,主持了重大科技基础设施北京正负电子对撞机重大改造工程。陈和生曾荣获国家科技进步一等奖、二等奖,第一届全国创新争先奖,中国科学院杰出科技成就奖等。

  散裂中子源究竟是什么?简单来说,散裂中子源就是一种“超级显微镜”,其散射的中子如同“探针”,可以清晰检测物质的内部结构,因此被认为是当今人类深度探索微观世界的有力工具。它广泛应用于新材料研发、关键零部件的性能检测、癌症治疗等热门领域,为材料科学、生命科学、环境科学等基础研究,提供了先进的现代技术平台,对解决前沿科学问题具有重大意义,是当之无愧的“国之重器”。

  看透物质结构的“火眼金睛”——中子

  如何去研究微观结构呢?我们在中学时可以用显微镜来看花粉、看细胞等等。如果还想看更精细的结构,可以用电子显微镜。而要想看到分子结构,就需要用散裂中子源,或者是同步辐射光源,我们把它叫作超级显微镜。什么是同步辐射呢?同步辐射实际上就是非常强的X光,大家在医院做检查用的就是X光,但是同步辐射比它要强百亿倍。用一般的方法是得不到这么强的X光的,所以就要利用大型的加速器,电子的束流在磁场拐弯的时候,会产生非常强的X光,我们把它叫作同步辐射。利用专门的加速器来产生很强的同步辐射,这样就能够研究物质的结构,比如说上海同步辐射光源、北京同步辐射装置、合肥同步辐射装置。

  散裂中子源产生中子,它打在样品上,样品跟它相互作用以后,它的方向和动量都改变了,用探测仪器把这个样品包起来,看看入射进来的中子经过样品之后的变化,反过来就可以用数学方法反推出它的结构。

  中子从哪儿来?自由的中子在正常的状态之下,寿命很短,自然界中自由的中子寿命大概就是20分钟左右,没有办法对它利用。绝大部分的中子都是在原子核里,质子、中子组成原子核,要得到自由的中子,需要从专门的大科学装置来产生。这种装置有两类:一类是反应堆,反应堆