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攻克中國(guó)大量難題的“超J顯微鏡”究竟有多厲害

點(diǎn)擊次數(shù):124

來源: 了不起的中國(guó)制造 

出品|網(wǎng)易新聞

導(dǎo)語:不久前,中子衍射譜儀成功出束,標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)建成了世界Y流的大型中子散射多學(xué)科研究平臺(tái)。這臺(tái)“超J顯微鏡”作為國(guó)家大科學(xué)裝置,被用于研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),為我國(guó)多學(xué)科在國(guó)際上取得Y流成果提供重要的技術(shù)條件。

一、新“探針”:探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)

X射線主要與原子外圍的電子發(fā)生相互作用,但有可能導(dǎo)致電子的電離,破壞物質(zhì)本身;而中子不帶電、穿透性強(qiáng),且不會(huì)破壞物質(zhì),它直接與物質(zhì)的原子核相互作用,這使得中子成為了研究微觀結(jié)構(gòu)的理想媒介。與X射線不同,中子在探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)上有著一定的優(yōu)勢(shì)。

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通過轟擊重原子產(chǎn)生中子

中子的來源主要依靠散裂反應(yīng),主動(dòng)制造和控制中子。離子源中產(chǎn)生的離子利用質(zhì)子加速器產(chǎn)生高能質(zhì)子束,轟擊重原子(例如鈾或鎢)的原子核,通常每個(gè)重原子核能轟擊出20-30個(gè)快中子,這樣的反應(yīng)能夠形成可用于探測(cè)規(guī)模的中子束。

基于上述的理論框架,我國(guó)的散裂中子源項(xiàng)目主要包括一臺(tái)負(fù)氫離子直線加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站和若干臺(tái)中子譜儀設(shè)備。

離子源中產(chǎn)生的離子束經(jīng)過初步的聚束和加速后,將剝離后的離子注入環(huán)形的快循環(huán)同步加速器中,使用環(huán)形加速器既可以一圈圈加速大大減小加速器的體積,又可以通過圈數(shù)逐J地控制質(zhì)子束能量。在經(jīng)過充分的諧振加速后,Z終將功率為100kW的質(zhì)子束流打向鎢靶,從而形成散裂后的大量快中子,經(jīng)過慢化后被引向不同的中子譜儀進(jìn)行研究。

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散裂中子源結(jié)構(gòu)圖

利用這樣的設(shè)備和思路,散裂中子源形成的中子通量(單位時(shí)間內(nèi)的中子量)已經(jīng)超出了傳統(tǒng)反應(yīng)堆中子源(依靠核反應(yīng)堆提供中子)一個(gè)量J,并具備相當(dāng)程度的可調(diào)性,這對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的成像效果有著很大意義。

二、系統(tǒng)集成:水平世界領(lǐng)X

“超J顯微鏡”總共占地約7萬平方米,目前的束流功率為100kW,并將在D二期提升至500kW,束流功率超越了世界上其他的散裂中子源。打靶質(zhì)子束能量Z高增加至1.6GeV,重復(fù)頻率25Hz。整套系統(tǒng)總共預(yù)留了二十個(gè)孔道用于試驗(yàn)。


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散裂中子源主體結(jié)構(gòu)

相比反應(yīng)堆中子源,散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣。10^0-10^7eV寬廣能區(qū)的中子(指標(biāo)與美、日、英的散裂中子源類似)大大地?cái)U(kuò)展了中子科學(xué)研究的范圍。

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內(nèi)部的加速器裝置

散裂中子源同時(shí)具備很強(qiáng)的可拓展性,它的能力隨著不斷集成不同的科學(xué)載荷慢慢提升,仍然具備J大的發(fā)展?jié)摿?。在Z初數(shù)臺(tái)譜儀的基礎(chǔ)上,散裂中子源工程將在二期利用完所有的孔道,總共配備二十臺(tái)譜儀,針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)一步提供多空間尺度、多能量范圍、多學(xué)科研究的表征手段。

此次測(cè)試的能量分辨中子成像譜儀(ERNI)超越了常規(guī)的中子照相,更精細(xì)地探測(cè)和成像晶體內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu),尤其是對(duì)物質(zhì)深層做探測(cè),適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力測(cè)量分析做無損檢測(cè)和使用壽命估計(jì)。在未來,隨著孔道逐漸飽和,散裂中子源將在原本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,添加D二靶站及其相應(yīng)的孔道,繼續(xù)提升探測(cè)能力。

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中子譜儀用于探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)

散裂中子源產(chǎn)生的放射性物質(zhì)總量約為反應(yīng)堆中子源的十萬分之一,幾乎不產(chǎn)生輻射。實(shí)驗(yàn)室核心結(jié)構(gòu)由超高密度混凝土覆蓋,密度高達(dá)3600千克/立方米,這種材料主要由重晶骨料、硼玻璃粉等材料構(gòu)成,用于防止中子的逸散,這種特殊材料的使用能夠徹底消除中子輻射對(duì)大自然的影響。

三、科技創(chuàng)新:為多領(lǐng)域發(fā)展插上翅膀

作為科研的“基礎(chǔ)設(shè)施”,世界各國(guó)都正將建設(shè)高性能散裂中子源作為提升科研能力的重要舉措,紛紛提出了相關(guān)的建設(shè)計(jì)劃,目前只有英、美、日和中國(guó)擁有散裂中子源。

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散裂中子源外景

科學(xué)家利用中子源探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu),記錄下中子的軌跡和相應(yīng)的磁矩變化后,可以通過計(jì)算推測(cè)出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及結(jié)合點(diǎn)的張力等參數(shù)。因此散裂中子源對(duì)于每個(gè)國(guó)家的材料科學(xué)、藥學(xué)、核科學(xué)等領(lǐng)域有著很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

在材料科學(xué)領(lǐng)域,先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的核心渦輪通常使用單晶葉片(在高溫狀態(tài)下承受J大應(yīng)力),而單晶葉片的生長(zhǎng)方法需要通過不斷地試錯(cuò)來獲得,散裂中子源的介入能夠大大加速單晶葉片的研發(fā)過程;高鐵車輪亦是對(duì)力學(xué)性能有很高要求的領(lǐng)域,使用散裂中子源進(jìn)行成像能夠探知金屬疲勞,有助于預(yù)防重大事故。

在醫(yī)療領(lǐng)域,基于散裂中子源研發(fā)的新型放療手段“硼中子俘獲治療”也已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化階段,能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)胞尺度的**治療。未來,散裂中子源有潛力替代目前的大型核反應(yīng)堆來提供中子,對(duì)醫(yī)療的便利性和安全性有所提升。

在新能源領(lǐng)域,它是新能源電池的研發(fā)利器。新能源電池的性能本質(zhì)上依賴于充放電產(chǎn)生的內(nèi)部離子反應(yīng),解析這個(gè)過程能夠J大加速研發(fā),而散裂中子源有力地支持了我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。未來加工精度和性能更高的固態(tài)電池研發(fā)更是與該設(shè)備息息相關(guān)。

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環(huán)形快循環(huán)同步加速器

在核科學(xué)領(lǐng)域,散裂中子源對(duì)核能開發(fā)也有很大的意義。它能夠產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的原料——氚,根據(jù)估算,全球氚儲(chǔ)量?jī)H為3.5千克且實(shí)際上無法收集,而一個(gè)散裂中子源每年能產(chǎn)生60克氚。核裂變能源的清潔化也是一種發(fā)展方向,高能的中子束有可能將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性同位素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定同位素,減少核廢料帶來的危害。

結(jié)語:

作為世界上第四個(gè)投入使用的散裂中子源,其主要參數(shù)、中子束利用率和可拓展性上達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)X水平。它將助力解決科學(xué)瓶頸問題,攻克產(chǎn)業(yè)核心技術(shù),成為國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。

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