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散裂中子源:探索物质微观世界的完美探针(科技日报)
2011-10-28|文章来源:科技日报 李大庆 姜晨怡 |【
 

  

  资料图片:“萨德伯里”中微子天文台里的中微子探测器

  ■ 新闻背景

  中国迄今单项投资规模最大的国家重大科技基础设施——中国散裂中子源(CSNS)10月20日在广东省东莞市奠基建设。这个位于东莞大朗镇的项目总投资16.7亿元人民币,是国家“十二五”国民经济和社会发展规划的重大科技基础设施项目,建成后将用于基础科学研究和商业实验。

  什么是散裂中子源?它与其他的研究方法有什么区别?散裂中子源有哪些科研应用?它的环境安全性如何?我国的散裂中子源项目与其他国家的项目有什么差别……

  ——解疑1:什么是散裂中子源——

  专家回应:用中子看物质微观世界的有力工具,好像“超级显微镜”

  我们所熟悉的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。由此,散裂中子源应运而生,它就像一台“超级显微镜”,可研究诸如DNA、蛋白质、飞机材料等结构。

  自查德威克1932年发现中子后,中子及中子散射的应用进一步加深了人们对物质微观结构的认识。由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及具有非破坏性,使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。

  中子主要是通过“中子散射”过程来实现对研究样品的研究:当一束中子入射到所研究的对象上时,与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用,向各个方向散射开来。就好像一束光打在半透明的物体上,有的光透过物体,有的光被反射或折射,这样就能够从各个方向上看到物体。中子束流打到样品上时,大多数中子会穿过样品,不受任何阻碍,但有些中子将直接与样品的原子核发生相互作用,运动方向发生改变而发生分散传播,就像弹珠游戏一样。

  通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,可以获取在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子、分子在哪里,原子、分子在做什么。

  ——解疑2:与其他研究方法有什么区别——

  专家回应:同步辐射和中子散射看到的是物质的不同方面,与反应堆中子源相互补充

  在科研领域,能够产生高亮度X射线的科学装置叫做同步辐射装置,比如位于高能物理所的北京正负电子对撞机和上海光源;而用于中子研究的装置,则包括散裂中子源和反应堆中子源两类,且以前者性能较优。

  中国科学院院士、中科院高能物理研究所所长、CSNS工程经理陈和生解释说:“同步辐射对重的原子核敏感,中子对轻的原子核更敏感,比如碳、氢、氮等。同步辐射装置和散裂中子源装置都是大型的、多学科交叉的研究平台。从国家科学装置布局的角度来讲,我们不仅需要同步辐射光源,也需要散裂中子源,二者各有优势,是互补关系。”陈和生解释称。

  据介绍,同步辐射产生的高亮度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,而主要与物质中的原子核相互作用。因此,作为探测微观结构的两种主要探针,同步辐射和中子散射看到的正好是物质的两个不同的方面。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。

  散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置,通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应,每个高能质子可产生20—40个中子。它与反应堆中子源两者各具特色,相互补充,为我国中子科学的发展贡献力量。

  ——解疑3:散裂中子源能干什么——

  专家回应:帮助科学家了解液态晶体、超导陶瓷、蛋白质等各种物质特性,能孕育一批实用型高新技术

  2005年,国家科教领导小组制定了“十一五”期间国家大科学装置的建设计划,散裂中子源在这份清单中位列第一。

  据悉,散裂中子源散射的中子束,可帮助科学家了解从液态晶体到超导陶瓷、从蛋白质到塑料、从金属到胶粒等各种物质特性的详细情况,其建设不仅关乎一个国家原始创新能力的提高,过程中还能孕育一大批实用型高新技术。例如,中子散射已在磁性凝聚态物理、纳米材料、高强度高性能塑料、蛋白质和生物、高温超导机理、同位素辨识、工业无损深度探伤、污染及废料处理等领域得到了广泛应用。

  陈和生举例说,有研究预计,全世界海底可燃冰可供全人类使用3000年,而高压、低温下中子散射实验可研究可燃冰性能及形成机制。中国已在南海发现可燃冰发育区,可燃冰的开发利用可能成为中国一种新型清洁能源。根据国家发改委近期出台的一份研究报告,中国未来10年将投入8亿元用于可燃冰的勘探研究。散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

  散裂中子源科研应用潜力巨大,除深海可燃冰研究外,还可应用于蛋白结合与膜蛋白通道和功能的中子衍射研究、石油输油管线裂纹成因研究、中子照相研究大豆根系生长、中子照相研究文物的制造工艺、飞机涡轮叶片与轮盘焊接应力的中子衍射测量、航天器件辐照效应的地面模拟试验研究、肿瘤的放射性治疗研究等。

  ——解疑4:散裂中子源安全吗——

  专家回应:散裂中子源是安全的射线装置,不会对环境产生影响

  散裂中子源是一台大型射线装置,产生的辐射主要是瞬发性的,只要加速器一停机,辐射场随即消失,同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。散裂中子源建在地下5米的隧道内,周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射。在屏蔽外,剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射,大约只相当于宇宙射线对人体产生剂量的1/10,并且只要加速器一停机,这种瞬发辐射随即消失,不再对环境造成影响。

  陈和生表示,即使是CSNS工作人员,在工作场所工作1年与乘坐飞机1次所接受剂量相当,工作5年也仅与进行1次X射线胸透所接受的剂量相当。此外,散裂中子源还设计有严格的人身安全联锁系统,确保人身、环境安全。

  对中国散裂中子源建设可能带来的环境影响评价结果表明,中国散裂中子源运行时产生的中子、γ射线以及少量放射性气体的排放,对场址边界外周围公众的年剂量水平大大低于国家标准规定限值,能够保证公众的健康与安全,也不会对周围环境产生不利影响。

  ——解疑5:我国的散射中子源有什么不一样——

  专家回应:节省投资,易于升级,建成后将跻身世界四大脉冲式散裂中子源的行列

  作为国家“十二五”国民经济和社会发展规划的重大科技基础设施项目,散裂中子源建设总投资为16.7亿元人民币。

  这个价钱与国际上已有的散裂中子源相比,已是十分“便宜”。目前在世界上,美国、日本和英国拥有自己的散裂中子源,其中美、日两国都是新近修建的,耗资分别达到14亿和18亿美元。

  我国的散裂中子源项目主要建设1台80MeV负氢离子直线加速器、1台1.6GeV快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。由离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器(RFQ)聚束和加速后,由漂移管直线加速器(DTL)把束流能量进一步提高到80MeV,负氢离子经剥离后注入到快循环同步加速器(RCS)中,使束流达到最后能量1.6GeV、功率100kW,并保留了升级到500kW的能力。从RCS引出的高能质子束流经传输线打向钨靶,在靶上产生的散裂中子经慢化,再通过中子导管引向谱仪,供用户开展实验研究。

  据陈和生介绍,加速器采用低能直线加速器+高能快循环同步加速器的方案,可节省投资、易于升级;脉冲重复频率定为25赫兹Hz,可大幅提高长波中子及每个脉冲内中子的通量;谱仪设计采用国际先进技术成果,提高中子利用效率和谱仪分辨率。我国的散裂中子源尽量采用成熟技术,保证装置运行可靠性,并尽量提高设备国产率,降低造价。

  目前,世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国的ISIS、美国的SNS和日本的J-PARC,分别成功运行了25年、5年和3年。中国科学院院长白春礼院士介绍,进入21世纪以来,美、日、欧等发达国家纷纷把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措,相继斥巨资建设新一代的散裂中子源。在美国的散裂中子源,总投资14亿美元、设计束流功率为1.4 MW的散裂中子源已经开始调束;日本的散裂中子源总投资约18亿美元、设计束流功率为1MW的强流质子加速器研究联合装置已开始加速器调束;韩国和印度也正在积极筹建束流功率为百千瓦量级的散裂中子源。

  由中国科学院和广东省共同投资建设的散裂中子源工程,将成为发展中国家的第一台散裂中子源,并跻身世界四大脉冲式散裂中子源的行列。

  (原载于《科技日报》 2011-10-27 05版)


 
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