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標(biāo)題: 散裂中子源：探索物質(zhì)微觀世界的完美探針 [打印本頁]
          

          
作者: jzgyr    時間: 2011-10-31 22:53
          
標(biāo)題: 散裂中子源：探索物質(zhì)微觀世界的完美探針
                kingmap 于 2011-10-30 12:38:20 
          
   
          
    中國迄今單項投資規(guī)模最大的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國散裂中子源(CSNS)10月20日在廣東省東莞市奠基建設(shè)。這個位于東莞大朗鎮(zhèn)的項目總投資16.7億元人民幣，是國家“十二五”國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展規(guī)劃的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，建成后將用于基礎(chǔ)科學(xué)研究和商業(yè)實驗。
          
什么是散裂中子源？它與其他的研究方法有什么區(qū)別？散裂中子源有哪些科研應(yīng)用？它的環(huán)境安全性如何？我國的散裂中子源項目與其他國家的項目有什么差別……
          

          
　　——解疑1：什么是散裂中子源——
          

          
　　專家回應(yīng)：用中子看物質(zhì)微觀世界的有力工具，好像“超級顯微鏡”
          

          
　　我們所熟悉的X射線能“拍攝”人體的醫(yī)學(xué)影像，而在材料學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥等領(lǐng)域，科學(xué)家們更希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)。由此，散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生，它就像一臺“超級顯微鏡”，可研究諸如DNA、蛋白質(zhì)、飛機(jī)材料等結(jié)構(gòu)。
          

          
　　自查德威克1932年發(fā)現(xiàn)中子后，中子及中子散射的應(yīng)用進(jìn)一步加深了人們對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。由于中子不帶電、具有磁矩、穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素以及具有非破壞性，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，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。
          

          
　　中子主要是通過“中子散射”過程來實現(xiàn)對研究樣品的研究：當(dāng)一束中子入射到所研究的對象上時，與研究材料中的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，向各個方向散射開來。就好像一束光打在半透明的物體上，有的光透過物體，有的光被反射或折射，這樣就能夠從各個方向上看到物體。中子束流打到樣品上時，大多數(shù)中子會穿過樣品，不受任何阻礙，但有些中子將直接與樣品的原子核發(fā)生相互作用，運(yùn)動方向發(fā)生改變而發(fā)生分散傳播，就像彈珠游戲一樣。
          

          
　　通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，可以獲取在原子、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、分子在哪里，原子、分子在做什么。
          

          
　　——解疑2：與其他研究方法有什么區(qū)別——
          

          
　　專家回應(yīng)：同步輻射和中子散射看到的是物質(zhì)的不同方面，與反應(yīng)堆中子源相互補(bǔ)充
          

          
　　在科研領(lǐng)域，能夠產(chǎn)生高亮度X射線的科學(xué)裝置叫做同步輻射裝置，比如位于高能物理所的北京正負(fù)電子對撞機(jī)和上海光源；而用于中子研究的裝置，則包括散裂中子源和反應(yīng)堆中子源兩類，且以前者性能較優(yōu)。
          

          
　　中國科學(xué)院院士、中科院高能物理研究所所長、CSNS工程經(jīng)理陳和生解釋說：“同步輻射對重的原子核敏感，中子對輕的原子核更敏感，比如碳、氫、氮等。同步輻射裝置和散裂中子源裝置都是大型的、多學(xué)科交叉的研究平臺。從國家科學(xué)裝置布局的角度來講，我們不僅需要同步輻射光源，也需要散裂中子源，二者各有優(yōu)勢，是互補(bǔ)關(guān)系。”陳和生解釋稱。
          

          
　　據(jù)介紹，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，而主要與物質(zhì)中的原子核相互作用。因此，作為探測微觀結(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)的兩個不同的方面。這種優(yōu)勢互補(bǔ)，已經(jīng)被許多學(xué)科用來準(zhǔn)確地研究物質(zhì)中原子的位置、排列、運(yùn)動和相互作用等。
          

          
　　散裂中子源是由加速器提供的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生中子的大科學(xué)裝置，通過原子的核內(nèi)級聯(lián)和核外級聯(lián)等復(fù)雜的核反應(yīng)，每個高能質(zhì)子可產(chǎn)生20—40個中子。它與反應(yīng)堆中子源兩者各具特色，相互補(bǔ)充，為我國中子科學(xué)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
          

          
　　——解疑3：散裂中子源能干什么——
          

          
　　專家回應(yīng)：幫助科學(xué)家了解液態(tài)晶體、超導(dǎo)陶瓷、蛋白質(zhì)等各種物質(zhì)特性，能孕育一批實用型高新技術(shù)
          

          
　　2005年，國家科教領(lǐng)導(dǎo)小組制定了“十一五”期間國家大科學(xué)裝置的建設(shè)計劃，散裂中子源在這份清單中位列第一。
          

          
　　據(jù)悉，散裂中子源散射的中子束，可幫助科學(xué)家了解從液態(tài)晶體到超導(dǎo)陶瓷、從蛋白質(zhì)到塑料、從金屬到膠粒等各種物質(zhì)特性的詳細(xì)情況，其建設(shè)不僅關(guān)乎一個國家原始創(chuàng)新能力的提高，過程中還能孕育一大批實用型高新技術(shù)。例如，中子散射已在磁性凝聚態(tài)物理、納米材料、高強(qiáng)度高性能塑料、蛋白質(zhì)和生物、高溫超導(dǎo)機(jī)理、同位素辨識、工業(yè)無損深度探傷、污染及廢料處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
          

          
　　陳和生舉例說，有研究預(yù)計，全世界海底可燃冰可供全人類使用3000年，而高壓、低溫下中子散射實驗可研究可燃冰性能及形成機(jī)制。中國已在南海發(fā)現(xiàn)可燃冰發(fā)育區(qū)，可燃冰的開發(fā)利用可能成為中國一種新型清潔能源。根據(jù)國家發(fā)改委近期出臺的一份研究報告，中國未來10年將投入8億元用于可燃冰的勘探研究。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)。
          

          
　　散裂中子源科研應(yīng)用潛力巨大，除深海可燃冰研究外，還可應(yīng)用于蛋白結(jié)合與膜蛋白通道和功能的中子衍射研究、石油輸油管線裂紋成因研究、中子照相研究大豆根系生長、中子照相研究文物的制造工藝、飛機(jī)渦輪葉片與輪盤焊接應(yīng)力的中子衍射測量、航天器件輻照效應(yīng)的地面模擬試驗研究、腫瘤的放射性治療研究等。
          

          
　　——解疑4：散裂中子源安全嗎——
          

          
　　專家回應(yīng)：散裂中子源是安全的射線裝置，不會對環(huán)境產(chǎn)生影響
          

          
　　散裂中子源是一臺大型射線裝置，產(chǎn)生的輻射主要是瞬發(fā)性的，只要加速器一停機(jī)，輻射場隨即消失，同時也不再引起空氣、冷卻水以及土壤的活化。散裂中子源建在地下5米的隧道內(nèi)，周圍用很厚的鋼筋混凝土墻來屏蔽輻射。在屏蔽外，劑量水平遠(yuǎn)低于天然宇宙線產(chǎn)生的照射，大約只相當(dāng)于宇宙射線對人體產(chǎn)生劑量的1/10，并且只要加速器一停機(jī)，這種瞬發(fā)輻射隨即消失，不再對環(huán)境造成影響。
          

          
　　陳和生表示，即使是CSNS工作人員，在工作場所工作1年與乘坐飛機(jī)1次所接受劑量相當(dāng)，工作5年也僅與進(jìn)行1次X射線胸透所接受的劑量相當(dāng)。此外，散裂中子源還設(shè)計有嚴(yán)格的人身安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，確保人身、環(huán)境安全。
          

          
　　對中國散裂中子源建設(shè)可能帶來的環(huán)境影響評價結(jié)果表明，中國散裂中子源運(yùn)行時產(chǎn)生的中子、γ射線以及少量放射性氣體的排放，對場址邊界外周圍公眾的年劑量水平大大低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值，能夠保證公眾的健康與安全，也不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。
          

          
　　——解疑5：我國的散射中子源有什么不一樣——
          

          
　　專家回應(yīng)：節(jié)省投資，易于升級，建成后將躋身世界四大脈沖式散裂中子源的行列
          

          
　　作為國家“十二五”國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展規(guī)劃的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，散裂中子源建設(shè)總投資為16.7億元人民幣。
          

          
　　這個價錢與國際上已有的散裂中子源相比，已是十分“便宜”。目前在世界上，美國、日本和英國擁有自己的散裂中子源，其中美、日兩國都是新近修建的，耗資分別達(dá)到14億和18億美元。
          

          
　　我國的散裂中子源項目主要建設(shè)1臺80MeV負(fù)氫離子直線加速器、1臺1.6GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運(yùn)線、1個靶站、3臺譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程。由離子源產(chǎn)生的負(fù)氫離子束流，通過射頻四極加速器(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80MeV，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)到最后能量1.6GeV、功率100kW，并保留了升級到500kW的能力。從RCS引出的高能質(zhì)子束流經(jīng)傳輸線打向鎢靶，在靶上產(chǎn)生的散裂中子經(jīng)慢化，再通過中子導(dǎo)管引向譜儀，供用戶開展實驗研究。
          

          
　　據(jù)陳和生介紹，加速器采用低能直線加速器+高能快循環(huán)同步加速器的方案，可節(jié)省投資、易于升級；脈沖重復(fù)頻率定為25赫茲Hz，可大幅提高長波中子及每個脈沖內(nèi)中子的通量；譜儀設(shè)計采用國際先進(jìn)技術(shù)成果，提高中子利用效率和譜儀分辨率。我國的散裂中子源盡量采用成熟技術(shù)，保證裝置運(yùn)行可靠性，并盡量提高設(shè)備國產(chǎn)率，降低造價。
          

          
　　目前，世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源主要有英國的ISIS、美國的SNS和日本的J-PARC，分別成功運(yùn)行了25年、5年和3年。中國科學(xué)院院長白春禮院士介紹，進(jìn)入21世紀(jì)以來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家紛紛把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措，相繼斥巨資建設(shè)新一代的散裂中子源。在美國的散裂中子源，總投資14億美元、設(shè)計束流功率為1.4 MW的散裂中子源已經(jīng)開始調(diào)束；日本的散裂中子源總投資約18億美元、設(shè)計束流功率為1MW的強(qiáng)流質(zhì)子加速器研究聯(lián)合裝置已開始加速器調(diào)束；韓國和印度也正在積極籌建束流功率為百千瓦量級的散裂中子源。
          

          
　　由中國科學(xué)院和廣東省共同投資建設(shè)的散裂中子源工程，將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，并躋身世界四大脈沖式散裂中子源的行列。
          

          
　　世界上正在運(yùn)行的三大散裂中子源
          

          
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　　目前，世界上正在運(yùn)行的三大散裂中子源包括英國盧瑟福實驗室散裂中子源、美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源和日本原子能研究機(jī)構(gòu)散裂中子源。
          

          
　　英國：散裂中子源已成功運(yùn)行超過25年，獲得大量成果。目前正將質(zhì)子加速器束流功率從160千瓦提高到240千瓦，其第二靶站也已于2009年建成運(yùn)行，有27臺譜儀對用戶開放，每年用戶逾2000人，并與Diamond光源共同構(gòu)成高科技園區(qū)的核心。
          

          
　　日本：散裂中子源造價17億美元，其中一臺3000兆電子伏特的快循環(huán)同步加速器將提供設(shè)計束流功率為1兆瓦的質(zhì)子束流用于驅(qū)動散裂中子源，2008年5月產(chǎn)生中子，目前10臺譜儀對用戶開放，6臺正建，6臺正在設(shè)計。其用戶增長極為迅速，正在醞釀建設(shè)新的2兆瓦的散裂中子源。
          

          
　　美國：散裂中子源造價14億美元，設(shè)計束流功率1.4兆瓦，目前穩(wěn)定運(yùn)行在900千瓦，是世界最亮的脈沖中子源，2006年產(chǎn)生中子，其18臺譜儀對用戶開放，5臺在建，3臺正在建議中，還依托散裂中子源建立納米材料科學(xué)中心。
          

          
　　中國迄今最大的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國散裂中子源(CSNS)20日在廣東省東莞市奠基，其建成后，將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，并與正在運(yùn)行的美國、日本、英國散裂中子源一起，構(gòu)成世界四大脈沖式散裂中子源。
          

          
　　CSNS總體設(shè)計方案與性能指標(biāo)具有國際先進(jìn)水平，同時考慮到中國目前的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)基礎(chǔ)。加速器采用低能直線加速器+高能快循環(huán)同步加速器的方案，可以節(jié)省投資、易于升級。
          

          
　　另據(jù)了解，歐洲散裂中子源計劃在瑞典建造。
          





          

          

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