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“超級(jí)顯微鏡”研發(fā)成功 儀器研制國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)96%

更新時(shí)間:2018-08-10      瀏覽次數(shù):956

“超級(jí)顯微鏡”研發(fā)成功 儀器研制國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)96%

散裂中子源產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子,通過(guò)測(cè)量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過(guò)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(guó)散裂中子源是我國(guó)“十二五”期間建設(shè)的規(guī)模大的大科學(xué)裝置,將成為*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(lái)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。

中子散射:微觀世界研究利器

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)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(guò)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(jiàn)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(guò),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(lái),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)地描繪出來(lái),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。

優(yōu)勢(shì)互補(bǔ):同步輻射和中子源

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(lái)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。

——紅、白色部分分別是同步輻射和中子散射的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

我們要進(jìn)行中子散射的研究,要用中子做探針,去開(kāi)展各種各樣的研究,就必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉矗冗M(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*性能:高脈沖通量,豐富的高能短波中子,*的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)。

散裂中子源除長(zhǎng)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(zhǎng)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*的性能,以及社會(huì)對(duì)安全評(píng)估要求越來(lái)越嚴(yán),發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)的 ISIS、美國(guó)的 SNS 和日本的J-PARC。

中國(guó)散裂中子源(CSNS)將成為發(fā)展中國(guó)家的臺(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(guó)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)(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(guò)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(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。

設(shè)備研制:國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)96%
設(shè)備研制:國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)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(kāi)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(guó)近百家合作單位完成,許多設(shè)備的研制在達(dá)到*水平,設(shè)備國(guó)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*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(guó)一輛城際快車(chē)意外出軌,事故元兇竟然是老化的車(chē)輪。車(chē)輪在英國(guó)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(wú)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(guó)內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的交流和合作,為我國(guó)的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供了良好的機(jī)遇。

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