散裂中子源：探索物質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模最大的國家重大科技基礎設施——中國散裂中子源(CSNS)10月20日在廣東省東莞市奠基建設。這個位于東莞大朗鎮的項目總投資16.7億元人民幣，是國家“十二五”國民經濟和社會發展規劃的重大科技基礎設施項目，建成后將用于基礎科學研究和商業實驗。
什么是散裂中子源？它與其他的研究方法有什么區別？散裂中子源有哪些科研應用？它的環境安全性如何？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：用中子看物質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”人體的醫學影像，而在材料學、化學、生命科學、醫藥等領域，科學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構。由此，散裂中子源應運而生，它就像一臺“超級顯微鏡”，可研究諸如DNA、蛋白質、飛機材料等結構。

　　自查德威克1932年發現中子后，中子及中子散射的應用進一步加深了人們對物質微觀結構的認識。由于中子不帶電、具有磁矩、穿透性強，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結構和動力學性質的理想探針之一，是多學科研究中探測物質微觀結構和原子運動的強有力手段。

　　中子主要是通過“中子散射”過程來實現對研究樣品的研究：當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生相互作用，運動方向發生改變而發生分散傳播，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的微觀結構和運動規律，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別——

　　專家回應：同步輻射和中子散射看到的是物質的不同方面，與反應堆中子源相互補充

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

　　中國科學院院士、中科院高能物理研究所所長、CSNS工程經理陳和生解釋說：“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、多學科交叉的研究平臺。從國家科學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，二者各有優勢，是互補關系。”陳和生解釋稱。

　　據介紹，同步輻射產生的高亮度X射線，主要與原子外圍的電子云發生相互作用，從而探知物質的微觀信息；而中子是電中性的，它與電子云基本不發生相互作用，而主要與物質中的原子核相互作用。因此，作為探測微觀結構的兩種主要探針，同步輻射和中子散射看到的正好是物質的兩個不同的方面。這種優勢互補，已經被許多學科用來準確地研究物質中原子的位置、排列、運動和相互作用等。

　　散裂中子源是由加速器提供的高能質子轟擊重金屬靶而產生中子的大科學裝置，通過原子的核內級聯和核外級聯等復雜的核反應，每個高能質子可產生20—40個中子。它與反應堆中子源兩者各具特色，相互補充，為我國中子科學的發展貢獻力量。

　　——解疑3：散裂中子源能干什么——

　　專家回應：幫助科學家了解液態晶體、超導陶瓷、蛋白質等各種物質特性，能孕育一批實用型高新技術

　　2005年，國家科教領導小組制定了“十一五”期間國家大科學裝置的建設計劃，散裂中子源在這份清單中位列第一。

　　據悉，散裂中子源散射的中子束，可幫助科學家了解從液態晶體到超導陶瓷、從蛋白質到塑料、從金屬到膠粒等各種物質特性的詳細情況，其建設不僅關乎一個國家原始創新能力的提高，過程中還能孕育一大批實用型高新技術。例如，中子散射已在磁性凝聚態物理、納米材料、高強度高性能塑料、蛋白質和生物、高溫超導機理、同位素辨識、工業無損深度探傷、污染及廢料處理等領域得到了廣泛應用。

　　陳和生舉例說，有研究預計，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制。中國已在南海發現可燃冰發育區，可燃冰的開發利用可能成為中國一種新型清潔能源。根據國家發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可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學依據。

　　散裂中子源科研應用潛力巨大，除深海可燃冰研究外，還可應用于蛋白結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、飛機渦輪葉片與輪盤焊接應力的中子衍射測量、航天器件輻照效應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：散裂中子源是安全的射線裝置，不會對環境產生影響

　　散裂中子源是一臺大型射線裝置，產生的輻射主要是瞬發性的，只要加速器一停機，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，周圍用很厚的鋼筋混凝土墻來屏蔽輻射。在屏蔽外，劑量水平遠低于天然宇宙線產生的照射，大約只相當于宇宙射線對人體產生劑量的1/10，并且只要加速器一停機，這種瞬發輻射隨即消失，不再對環境造成影響。

　　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1次所接受劑量相當，工作5年也僅與進行1次X射線胸透所接受的劑量相當。此外，散裂中子源還設計有嚴格的人身安全聯鎖系統，確保人身、環境安全。

　　對中國散裂中子源建設可能帶來的環境影響評價結果表明，中國散裂中子源運行時產生的中子、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準規定限值，能夠保證公眾的健康與安全，也不會對周圍環境產生不利影響。

　　——解疑5：我國的散射中子源有什么不一樣——

　　專家回應：節省投資，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”國民經濟和社會發展規劃的重大科技基礎設施項目，散裂中子源建設總投資為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，耗資分別達到14億和18億美元。

　　我國的散裂中子源項目主要建設1臺80MeV負氫離子直線加速器、1臺1.6GeV快循環質子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站、3臺譜儀及相應的配套設施和土建工程。由離子源產生的負氫離子束流，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)把束流能量進一步提高到80MeV，負氫離子經剝離后注入到快循環同步加速器(RCS)中，使束流達到最后能量1.6GeV、功率100kW，并保留了升級到500kW的能力。從RCS引出的高能質子束流經傳輸線打向鎢靶，在靶上產生的散裂中子經慢化，再通過中子導管引向譜儀，供用戶開展實驗研究。

　　據陳和生介紹，加速器采用低能直線加速器+高能快循環同步加速器的方案，可節省投資、易于升級；脈沖重復頻率定為25赫茲Hz，可大幅提高長波中子及每個脈沖內中子的通量；譜儀設計采用國際先進技術成果，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，保證裝置運行可靠性，并盡量提高設備國產率，降低造價。

　　目前，世界上正在運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，分別成功運行了25年、5年和3年。中國科學院院長白春禮院士介紹，進入21世紀以來，美、日、歐等發達國家紛紛把建設高性能散裂中子源作為提高科技創新能力的重要舉措，相繼斥巨資建設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、設計束流功率為1.4 MW的散裂中子源已經開始調束；日本的散裂中子源總投資約18億美元、設計束流功率為1MW的強流質子加速器研究聯合裝置已開始加速器調束；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。

　　由中國科學院和廣東省共同投資建設的散裂中子源工程，將成為發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。

　　世界上正在運行的三大散裂中子源

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　　目前，世界上正在運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構散裂中子源。

　　英國：散裂中子源已成功運行超過25年，獲得大量成果。目前正將質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光源共同構成高科技園區的核心。

　　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同步加速器將提供設計束流功率為1兆瓦的質子束流用于驅動散裂中子源，2008年5月產生中子，目前10臺譜儀對用戶開放，6臺正建，6臺正在設計。其用戶增長極為迅速，正在醞釀建設新的2兆瓦的散裂中子源。

　　美國：散裂中子源造價14億美元，設計束流功率1.4兆瓦，目前穩定運行在900千瓦，是世界最亮的脈沖中子源，2006年產生中子，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中心。

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

　　CSNS總體設計方案與性能指標具有國際先進水平，同時考慮到中國目前的經濟、技術基礎。加速器采用低能直線加速器+高能快循環同步加速器的方案，可以節省投資、易于升級。

　　另據了解，歐洲散裂中子源計劃在瑞典建造。