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      “超級顯微鏡”能“看”清什么

      發(fā)布:2017-10-27 15:19:55  來源:陽谷信息港  瀏覽次  編輯:佚名  分享/轉(zhuǎn)發(fā)»

      中國散裂中子源園區(qū)鳥瞰圖。

      中國散裂中子源供圖

      日前,位于廣東東莞的國家大科學(xué)工程中國散裂中子源首次打靶成功,獲得中子束流,這標(biāo)志著CSNS主體工程順利完工,進(jìn)入試運(yùn)行階段。中國散裂中子源是什么?它長啥樣?有什么用?安不安全?本報(bào)記者奔赴現(xiàn)場,為您一一揭曉。

      一問:是什么?

      就像一臺超級顯微鏡,可以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

      當(dāng)一束中子入射到研究樣品上時,與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用,產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化,就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律,告訴人們原子和分子的位置及其運(yùn)動狀態(tài)。這種研究手段就叫中子散射技術(shù)。中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生說。

      1932年,英國物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子,人們開始認(rèn)識到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。由于中子不帶電,具有磁矩,且穿透性強(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)和動力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一,和X射線一樣,是多學(xué)科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動的強(qiáng)有力手段。

      陳和生進(jìn)一步解釋說:打個比方,假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng),我們不斷地扔出很多玻璃彈珠,彈珠有的穿網(wǎng)而過,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)動軌跡記錄下來,就能大致推測出網(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)精確地描繪出來,甚至推斷其材質(zhì)。

      然而,進(jìn)行中子散射的研究,需要用中子做探針,就必須有一個適當(dāng)?shù)闹凶釉,先進(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。但由于反應(yīng)堆散熱技術(shù)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)量在克量級的樣品更為困難。因此,小樣品的快速、高分辨的中子散射測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。

      它是用來自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶,引起金屬原子的散裂反應(yīng),釋放出大量的中子。這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流,中子慢化后與樣品發(fā)生散射,最后由中子散射譜儀接收,我們科研人員就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測物體的微觀特征。通俗點(diǎn)說,散裂中子源就像一臺超級顯微鏡,可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。陳和生說。

      二問:長啥樣?

      異常龐大,建在13米到18米深的地下

      由于散裂中子源的這些獨(dú)特性能,以及國際社會對安全評估要求越來越嚴(yán),發(fā)達(dá)國家普遍利用散裂中子源進(jìn)行中子散射研究。目前,世界上正在運(yùn)行脈沖式散裂中子源的國家主要有英國、美國和日本。中國散裂中子源建成后將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源,躋身世界四大脈沖散裂中子源行列,從而大幅提升我國基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平。

      雖然中子如此微小,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。

      記者在現(xiàn)場看到,CSNS隧道內(nèi)裝置建在13米到18米深的地下。主要建設(shè)內(nèi)容包括1臺束流能量為80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、1臺束流能量為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個靶站和3臺譜儀,以及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程。

      陳和生說:CSNS一期工程中子譜儀數(shù)量為3臺,將來最多可建到20臺。目前束流功率為100千瓦,我們還預(yù)留了進(jìn)一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升級空間。

      首批建設(shè)的3臺譜儀為通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀。

      通用粉末衍射儀主要用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu);多功能反射儀通過分析來自樣品的反射中子,研究物質(zhì)的表面和界面結(jié)構(gòu);小角散射儀用于探測物質(zhì)體系在1100納米尺度內(nèi)的微觀和介觀結(jié)構(gòu)。陳和生說。

      三問:有啥用?

      可使高鐵和飛機(jī)更安全舒適,能用于腫瘤的放射性治療研究

      散裂中子源可以產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子,并通過測量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程,探測樣品原子核的位置和運(yùn)動狀況,因此,在材料科學(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)域都具有廣泛應(yīng)用前景。

      陳和生舉了個例子。1998年6月,德國一輛城際快車意外出軌,最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國散裂中子源上檢測的,發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕。

      事實(shí)上,無論是高鐵的輪軌,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,這個應(yīng)力看不到、摸不著,對它的研究成了避免災(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。

      陳和生說:散裂中子源技術(shù)在生物、生命、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域也發(fā)揮著X射線無法替代的作用,并與同步輻射光源互為補(bǔ)充,成為基礎(chǔ)科學(xué)研究和新材料研發(fā)的最重要平臺之一。例如,散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究,已在許多發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用。還有,在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中,散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件,其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)。

      CSNS裝置的建設(shè)也將大大加強(qiáng)國內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的國際交流和合作,為我國的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供良好的機(jī)遇。

      CSNS建設(shè)過程中,質(zhì)子加速器、靶站、中子譜儀的建設(shè),都涉及大量具有戰(zhàn)略意義的高技術(shù),這些技術(shù)難關(guān)需要中國最高水平的科研力量攜手攻克。所以,該項(xiàng)目的建設(shè)將吸引大批世界級的科學(xué)家前來進(jìn)行科研活動,建成后將吸引國內(nèi)外逾600名專家學(xué)者匯聚東莞搞研究。中國科學(xué)院物理研究所黨委書記孫牧說。

      四問:安全嗎?

      在附近居住一年,接受的輻射量僅相當(dāng)于乘一次長途飛機(jī)

      如此龐大的科學(xué)裝置,它的安全性如何呢?會不會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生污染?

      陳和生說:CSNS基于新一代加速器,不需要核材料,其動力來自電能,輻射嚴(yán)格控制在環(huán)保安全范圍。我們做過測算,在散裂中子源附近居住1年,居民受到的輻射量僅相當(dāng)于乘1次長途飛機(jī)。

      據(jù)介紹,CSNS附近建有監(jiān)控站,隨時監(jiān)控輻射情況!渡⒘阎凶釉错(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》也提出了事故應(yīng)急預(yù)案。由于散裂中子源是射線裝置,只要斷電停機(jī),中子源產(chǎn)生的主要輻射立即消失。

      另外,散裂中子源與反應(yīng)堆類的核裝置完全不同,不需要核原料,沒有鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng),加速器運(yùn)行時會有少量的粒子丟失而產(chǎn)生次級粒子,如:射線、射線和中子等,它們都具有放射性,通稱為瞬時輻射。

      這些放射性物質(zhì),比反應(yīng)堆中子源低56個量級,對環(huán)境的影響要小得多,而且這些放射性物質(zhì)將存放在國家指定的廢物庫中。中國散裂中子源工程副經(jīng)理陳元柏說。

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