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解读观测中子的中国“超级显微镜”

来源:中国科学院 作者: 2017年09月04日 10:43
[导读] 

 

文章来源:中国新闻网 张素 发布时间:2017-09-03

试想面前有一张看不见的网,人们不断扔出玻璃弹珠。有的弹珠穿网而过,有的弹珠打在网上再弹向不同角度。如果弹珠发得足够多且强,人们就能通过弹珠的轨迹反向推测出网的形状。
  一些科学家把组成原子核的基本粒子之一的中子比作“弹珠”,他们要描绘的“网”是在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律。他们设计出“超级显微镜”——散裂中子源,这既是产生强脉冲中子的装置,也是探索物质微观结构的利器。
  世界上已有的三台散裂中子源分别位于美国橡树岭国家实验室、英国卢瑟福实验室和日本原子能机构在茨城县东海的实验室。9月1日,中国散裂中子源工程经理、中国科学院院士陈和生宣布,中国散裂中子源主体工程顺利完工,进入试运行阶段。
  “超级显微镜”长啥样?
  坐落于广东省东莞市大朗镇的中国散裂中子源,乍看是几栋银灰色的建筑物。陈和生指着沙盘说,工程“奥秘”在地下。
  整个装置建在地下十余米处。负氢离子束流通过长200米的直线加速器和束流输运线,能量达到80兆电子伏特。“它们”转弯“跑”入周长228米的快循环同步加速器,经剥离膜转变为质子,再“跑”两万圈,把能量提高20倍、达到16亿电子伏特。
  接着,高能量的质子撞击到钨金属靶上释放出中子。中子形成的极强中子束流经慢化后与试验样品发生散射,即“弹珠入网”。用户便可以通过中子散射谱仪进行探测。
  陈和生说,中国散裂中子源规划了20台中子谱仪,首批建设3台,包括用于研究物质的晶体结构和磁结构的通用粉末衍射仪,研究物质的表面和界面结构的多功能反射仪,以及探测物质体系在1至100纳米尺度内的微观和介观结构的小角散射仪。
  “我们预留出足够的升级空间,现在正在向国家申请二期工程建设,届时新建谱仪,并把束流功率从100千瓦升级到500千瓦。”陈和生对中新社记者说。
  “超级显微镜”由谁建?
  中国散裂中子源在“十一五”期间立项、“十二五”期间重点建设,这是迄今为止中国单项投资规模最大的大科学装置,由中国科学院和广东省共同建设。项目法人单位为中国科学院高能物理研究所,共建单位为中国科学院物理研究所。
  据介绍,项目总投资为23亿元人民币,远低于美国散裂中子源花费的14亿美元。
  距离中国科学家首次集中提出建设散裂中子源的设想已过去16年。他们在此期间攻克诸多技术难题,降低建设成本,使中国散裂中子源的国产化率达到96.7%。
  “大科学工程的一项使命是带动国内制造水平的提升。”中国散裂中子源工程常务经理马力说。他以快循环同步加速器中的25赫兹交流磁铁为例说,这项技术被国外企业垄断,国内科研人员与技师经过6年时间攻关,不仅研制出合格的产品,更是创新性提出谐振电源的谐波补偿方法,解决了多台磁铁间的磁场同步问题。
  “超级显微镜”有啥用?
  德国一辆城际快车在1998年意外出轨,事后调查人员把车轮放在英国散裂中子源上检测,发现“真凶”是车轮内部裂痕。
  专家解释,看不见、摸不着的应力,恰恰决定了铁轨、涡轮、机翼等关键器件的使用寿命和安全性。借用散裂中子源可以测量它们的剩余应力,由此优化机械加工工艺。
  “超级显微镜”还可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制及稳定条件,为安全高效开采利用可燃冰提供科学依据。该装置与民生也息息相关,比如用于食品辐照保鲜、医疗卫生用品消毒灭菌等。
  中国散裂中子源已迈出产业应用的第一步。8月11日,中国科学院高能物理研究所与东阳光集团宣布联合攻关“硼中子俘获治疗项目”,让中子与磞—10“碰撞”去“炸死”癌细胞。
  在东莞市副市长黄庆辉看来,“超级显微镜”将推动形成粤港澳大湾区科技核心,带动珠三角地区科学、技术、产业、教育等协同功能的发挥。

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[责任编辑:kb104]
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