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“超级显微镜”能“看”清什么
文章来源:新华网 作者:

  中国散裂中子源园区鸟瞰图。

  中国散裂中子源供图

  日前,位于广东东莞的国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)首次打靶成功,获得中子束流,这标志着CSNS主体工程顺利完工,进入试运行阶段。中国散裂中子源是什么?它长啥样?有什么用?安不安全?本报记者奔赴现场,为您一一揭晓。

  一问:是什么?

  就像一台“超级显微镜”,可以研究物质的微观结构

  “当一束中子入射到研究样品上时,与它的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这种研究手段就叫中子散射技术。”中国散裂中子源工程总指挥、工程经理、中科院院士陈和生说。

  1932年,英国物理学家查德威克发现了中子,人们开始认识到原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。由于中子不带电,具有磁矩,且穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,和X射线一样,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。

  陈和生进一步解释说:“打个比方,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。”

  然而,进行中子散射的研究,需要用中子做探针,就必须有一个适当的中子源,先进的中子源是中子科学研究的基础。如何能获得产生高通量中子的中子源,一直是科学家不断努力追求的目标。

  高通量的中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一种稳定连续的中子源,在中子科学研究中发挥了巨大的作用。但由于反应堆散热技术的限制,反应堆中子通量在上世纪六七十年代就达到了饱和。随着科技的进步,相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等,尺度分布更大,获得数量在克量级的样品更为困难。因此,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源,散裂中子源应运而生。

  “它是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶,引起金属原子的散裂反应,释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流,中子慢化(中子与介质原子核碰撞,引起中子能量减少而减速的现象)后与样品发生散射,最后由中子散射谱仪接收,我们科研人员就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征。通俗点说,散裂中子源就像一台‘超级显微镜’,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构。”陈和生说。

  二问:长啥样?

  异常庞大,建在13米到18米深的地下

  由于散裂中子源的这些独特性能,以及国际社会对安全评估要求越来越严,发达国家普遍利用散裂中子源进行中子散射研究。目前,世界上正在运行脉冲式散裂中子源的国家主要有英国、美国和日本。中国散裂中子源建成后将成为发展中国家的第一台散裂中子源,跻身世界四大脉冲散裂中子源行列,从而大幅提升我国基础研究和高技术的水平。

  虽然中子如此微小,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置,是各种高、精、尖设备组成的整体。

  记者在现场看到,CSNS隧道内装置建在13米到18米深的地下。主要建设内容包括1台束流能量为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流能量为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站和3台谱仪,以及相应的配套设施和土建工程。

  陈和生说:“CSNS一期工程中子谱仪数量为3台,将来最多可建到20台。目前束流功率为100千瓦,我们还预留了进一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升级空间。”

  首批建设的3台谱仪为通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪。

  “通用粉末衍射仪主要用于研究物质的晶体结构和磁结构;多功能反射仪通过分析来自样品的反射中子,研究物质的表面和界面结构;小角散射仪用于探测物质体系在1—100纳米尺度内的微观和介观(介于宏观与微观之间的一种体系)结构。”陈和生说。

  三问:有啥用?

  可使高铁和飞机更安全舒适,能用于肿瘤的放射性治疗研究

  散裂中子源可以产生强脉冲中子,并通过测量中子束流在样品的散射反应过程,探测样品原子核的位置和运动状况,因此,在材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域都具有广泛应用前景。

  陈和生举了个例子。“1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,最后查出事故元凶竟然是老化的车轮。车轮是在英国散裂中子源上检测的,发现其中有内部裂痕。”

  事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼,里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免灾难发生的关键。现在科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。

  陈和生说:“散裂中子源技术在生物、生命、医药等研究领域也发挥着X射线无法替代的作用,并与同步辐射光源互为补充,成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。例如,散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究,已在许多发达国家得到应用。还有,在新型清洁能源可燃冰的开发利用中,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。”

  CSNS装置的建设也将大大加强国内中子散射科学和应用界的国际交流和合作,为我国的中子散射技术和应用在国际前沿领域占据一席之地提供良好的机遇。

  “CSNS建设过程中,质子加速器、靶站、中子谱仪的建设,都涉及大量具有战略意义的高技术,这些技术难关需要中国最高水平的科研力量携手攻克。所以,该项目的建设将吸引大批世界级的科学家前来进行科研活动,建成后将吸引国内外逾600名专家学者汇聚东莞搞研究。”中国科学院物理研究所党委书记孙牧说。

  四问:安全吗?

  在附近居住一年,接受的辐射量仅相当于乘一次长途飞机

  如此庞大的科学装置,它的安全性如何呢?会不会对周围的环境产生污染?

  陈和生说:“CSNS基于新一代加速器,不需要核材料,其动力来自电能,辐射严格控制在环保安全范围。我们做过测算,在散裂中子源附近居住1年,居民受到的辐射量仅相当于乘1次长途飞机。”

  据介绍,CSNS附近建有监控站,随时监控辐射情况。《散裂中子源项目环境影响报告书》也提出了事故应急预案。由于散裂中子源是射线装置,只要断电停机,中子源产生的主要辐射立即消失。

  另外,散裂中子源与反应堆类的核装置完全不同,不需要核原料,没有链式核反应,加速器运行时会有少量的粒子丢失而产生次级粒子,如:χ射线、γ射线和中子等,它们都具有放射性,通称为瞬时辐射。

  “这些放射性物质,比反应堆中子源低5—6个量级,对环境的影响要小得多,而且这些放射性物质将存放在国家指定的废物库中。”中国散裂中子源工程副经理陈元柏说。

  “只要加速器一停机,造成环境影响的主要辐射源即消失,可以说像水龙头一样安全可靠。加速器是通过电子器件自动控制起停的,一旦出现故障,可以在几毫秒内关闭加速器。倘若发生地震等自然灾害,散裂中子源机器便停止运转,辐射场立即消失。经反复论证研究,散裂中子源是比较清洁的射线装置。”陈和生说。


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