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将微观世界看通透
2018-07-16 07:52:42 来源: 人民日报
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  我国首台脉冲型散裂中子源建成

  将微观世界看通透(厉害了,中国科技)

  日前,建在广东东莞的我国“十一五”国家重大科技基础设施——中国散裂中子源按期、高质量完成了全部工程建设任务,通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。这是中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源,它的建成填补了国内脉冲中子应用领域的空白,为我国材料科学技术、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术开发提供了强有力的研究手段。

  像一台超级显微镜,可以研究DNA等物质的微观结构

  中国散裂中子源于2011年9月开工建设,工期6.5年,总投资约23亿元。其主要建设内容包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站,以及一期三台供中子散射实验用的中子谱仪,是各种高、精、尖设备组成的整体。

  1932年,英国物理学家查德威克发现了中子,人们开始认识到原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。由于中子不带电,具有磁矩,且穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特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,和X射线一样,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。

  那么,什么是中子散射?它又是怎么探测到物质微观结构和原子运动的?

  中国散裂中子源工程总指挥、工程经理、中科院院士陈和生介绍:“当一束中子入射到研究样品上时,与它的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。”

  陈和生进一步解释说:“打个比方,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。”

  然而,进行中子散射的研究,需要用中子做探针,就必须有一个适当的中子源,先进的中子源是中子科学研究的基础。散裂中子源正好符合需求。

  “散裂中子源是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶,引起金属原子的散裂反应,释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流,中子慢化(中子与介质原子核碰撞,引起中子能量减少而减速的现象)后与样品发生散射,最后由中子散射谱仪接收,我们科研人员就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征。”陈和生说,“通俗点说,散裂中子源就像一台‘超级显微镜’,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构。”

  在材料科学技术、生命科学、新能源等领域有广泛应用前景

  散裂中子源可以产生强脉冲中子,并通过测量中子束流在样品的散射反应过程,探测样品原子核的位置和运动状况,因此,在材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景。例如,1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,最后查出事故元凶竟然是老化的车轮。车轮是在英国散裂中子源上检测的,发现其中有内部裂痕。事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼,里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免灾难发生的关键。“现在科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。”陈和生说。

  散裂中子源技术的应用非常广泛。

  例如,在新型清洁能源可燃冰的开发利用中,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。

  中子散射是研究锂电池的利器。大幅度地提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,可以将汽车锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。国外的散裂中子源都建设了这样专门研究锂电池的谱仪,且严加保密。

  中子散射还可以对文物进行无损研究。比如想知道我国南北朝时期的一尊佛像的制造工艺,却无法把文物大卸八块进行分析。利用中子成像技术,可以看到佛像的中间有一根木制“主梁”。这是因为中子散射对轻的元素非常敏感,中间的棍子是木头做的,也就是碳氢化合物,中子可以轻易地“看到”它。由此,科学家能清晰地了解这尊佛像的制造工艺:先在中间立一根木梁,在木梁周围缠上“支撑架”,最终用黏土制成。

  设备国产化率超九成,靶站最高中子效率达到国际先进水平

  2017年8月,中国散裂中子源首次打靶成功并获得中子束流;2017年11月达到打靶束流功率的验收指标;2018年春节期间,科研人员继续进行紧张的调试运行。期间加速器运行稳定,束流功率和连续运行时间均创调束以来的新高,首期三台中子谱仪,即通用粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪,都顺利完成样品实验。通用粉末衍射仪已经完成了两个高水平的用户实验。

  此次验收中,工艺鉴定验收专家委员会评价:中国散裂中子源性能全部达到或优于国家发改委批复的验收指标。装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,调试速度快于国外的散裂中子源。靶站最高中子效率达到国际先进水平。

  中国散裂中子源通过自主创新和集成创新,在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果。设备国产化率超过90%,显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越,技术和综合性能进入国际同类装置先进行列。

  陈和生说:“例如国内首次研制成功25Hz交流谐振励磁的大型二极和四极磁铁及电源,交流磁场精度达到同类装置国际领先水平;自主研制成功液氢慢化器,通过靶—慢化器—反射体紧凑耦合的物理和工程设计,保证靶站高中子效率,等等。”

  中国散裂中子源建成后,将充分发挥一期三台谱仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,为广大用户提供国际先进的研究平台,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿领域占据一席之地提供良好的机遇。

  同时,为了充分发挥装置作用,满足中子散射研究和应用用户迫切需求,专家委员会建议:中国散裂中子源应尽快达到设计指标,实现稳定运行。在装置通过验收后尽快启动二期工程立项,开始后续谱仪建设,进一步提升束流功率。本报记者 吴月辉

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