首页 >> 正文
中国散裂中子源,你了解吗?
2017年09月02日
来源: 中科院高能所
【字号: 】【打印

    世界上的物质是由分子和原子构成的,原子就像是原子核和核外电子的微小太阳系,质子和中子构成了原子核。

    中子作为组成原子核的基本粒子之一,不带电,因此被称为中子。它是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。中子对轻的原子核非常敏感,能够精确测得分子结构中的氢原子位置,还能定位“掺杂”在重原子中的其他轻原子。中子的这种特性,使它能够“拍摄”到材料的微观结构,跟踪正在运动中的原子核分子的行为。

    中子作为一种粒子,与材料中的原子核相互作用,运动方向发生改变而分散传播,发生散射,即为中子散射。中子主要是通过“中子散射”过程来实现对样品的研究:当一束中子入射到所研究的对象上时,与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用,向各个方向散射开来。就好像一束光打在半透明的物体上,有的光透过物体,有的光被反射或散射,这样我们能够从各个方向上看到物体。中子束流打到样品上时,大多数中子会穿过样品,不受任何阻碍,但有些中子将直接与样品的原子核发生相互作用,运动方向发生改变而发生分散传播,就像弹珠游戏一样。通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,可以在原子、分子尺度上研究各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子、分子在哪里,在做什么,这种研究手段叫做中子散射技术。

中子与中子散射

    中子散射和X射线技术都是人类探索物质微观结构的有力手段。慢中子散射技术是当今研究物质微观结构和运动最重要的工具之一,与同步辐射光源在很多方面有相辅相成的作用,在非常宽广的研究领域如材料、物理、生物、化学、地学和工程等研究中都是很有效的工具。与其它物质结构的手段相比,中子散射具有以下明显的特点或优势:

    宽广的波长范围:与物质中原子间距相近,是度量物质微观结构最适合的标尺,探测范围从氢原子到生物大分子。

    合适的能量覆盖:适合研究物质中各种不同的相互作用和动态过程,探测范围从分子振动、晶格振动到电子层跃迁。

    直接与核作用:对轻元素原子灵敏和可以区分同位素,是研究生物大分子的强有力工具。

    中子磁矩: 很适合用来研究磁性材料中的微观磁结构和磁涨落。

    对样品系统扰动小:有利于研究微观结构的细微变化。

    高穿透性:易于开展工业大部件和极端条件下物质结构和动态的研究。

    散裂中子源

    简单地说,散裂中子源就是一个用中子来了解微观世界的工具。当一个高能质子打到重原子核上时,一些中子被轰击出来,这个过程被称为散裂反应。被轰击的原子核温度升高,更多的中子就会“沸腾”起来并脱离原子核的束缚。如果将一个垒球用力投到装满球的筐中,有一些球会立刻蹦出来,而更多的球则会弹跳并翻出筐外,散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。

    从上世纪80年代开始发展起来的、基于先进加速器技术的散裂中子源是目前世界上最先进的中子源,它的基本原理是用高能强流质子加速器产生能量在1GeV以上的质子束轰击重元素靶(如钨或铀),在靶中发生散裂反应,产生大量的中子。它为众多学科前沿领域的研究提供了一种最先进、不可替代的研究工具,如凝聚态物理、化学、材料科学、生命科学、环境科学、信息科学、核科学等。

    散裂中子源与反应堆中子源各具特色,是相互补充的研究手段。我国在反应堆中子散射研究中已有较深厚的基础,可为进一步发展散裂中子源先进技术提供有力支持。散裂中子源的特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量,能提供的中子能谱更加宽广,大大扩展了中子科学研究的范围;它具有高脉冲通量和优越的脉冲时间结构,低本底,且不使用核燃料,只产生极少量活化产物等独特优点。

    近年来,随着强流加速器技术的发展,百千瓦到兆瓦级束流功率的散裂中子源成为国际公认的新一代高通量、宽波段、高效安全的中子源。进入21世纪,美、日、欧等发达国家认识到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位,把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措,相继斥巨资建设新一代的散裂中子源。我国也需要有这种科学装置来满足科学家的研究工作。

    世界四大散裂中子源之一

    中国散裂中子源项目总投资约22亿元,由中国科学院和广东省人民政府共同建设,将于2018年前后建成。建成后,CSNS将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,与世界上正在运行的美国散裂中子源、日本散裂中子源和英国散裂中子源一起,构成世界四大脉冲散裂中子源。

    科学研究的利器

    用于中子散射的中子,波长从几埃到几十埃、能量在毫电子伏特到电子伏特之间,分别与物质中原子分子之间的距离和相互作用能量相当。由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及非破坏性等特性,中子散射称为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,在众多学科领域中被广泛应用。

    目前,中子散射技术在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法替代的作用。散裂中子源与同步辐射光源互为补充,已经成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。同时,中子散射技术在磁性凝聚态物理、纳米材料、高强度高性能塑料、蛋白质和生物、高温超导机理、同位素辨识、工业无损深度探伤、污染及废料处理等领域得到了广泛应用。

    工程方面有助于预防机翼断裂

    中子散射引发的技术改进,有助于预防机翼断裂、管道严重腐蚀等。如果工程师们想知道某个部件何时可能发生损坏,以及能否使用不同的材料和加工工艺生产出一种寿命更长的部件,将中子散射结果与计算机模拟相结合,就能找到这些问题的答案。

    医药方面可获得DNA结构

    了解蛋白质的工作原理是解开生命之谜的一把金钥匙。为什么蛋白质的作用这样独特而多变呢?这主要取决于每一种分子的复杂形状,有的是椭球形,有的像碟子一样,有的又像哑铃。DNA分子决定了蛋白质的合成,中子散射可获得DNA的形状和结构,广泛用于医疗方面,如医治癌症或艾滋病之类的重症。

    能源方面有助于利用可燃冰

    我国已在南海发现可燃冰发育区,可燃冰的开发利用可能成为我国一种新型清洁能源。根据国家发改委近期出台的一份研究报告,中国在未来10年将投入8亿元用于可燃冰的勘探研究。散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

    散裂中子源是安全的射线装置

    散裂中子源是一台大型射线装置,产生的辐射主要是瞬发性的。只要加速器一停机,辐射场随即消失,同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。散裂中子源通常安置在地下隧道内,周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射。在屏蔽外,剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射,大约只相当于宇宙射线对人体产生的剂量的1/10,并且只要加速器一停机,这种瞬发辐射随即消失,不再对环境造成影响。即使工作人员,在工作场所5年所接受的剂量也仅与进行1次X射线胸透所接受的剂量相当。此外,散裂中子源还设计了严格的人身安全联锁系统,确保人身、环境安全。

    

【字号: 】【打印】【关闭

010070160030000000000000011100001121590769