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中国散裂中子源: “超级显微镜”带你格物探微

发布时间:2019/03/13 创新

3月2日,继物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁到访后,位于广东东莞的中国散裂中子源基地又迎来了新一波参观的客人。中科院院士陈和生向来访的外国驻港领团、商会、媒体考察团一行详细介绍了粤港澳大湾区的首个国家重大科技基础设施——中国散裂中子源(CSNS)。

今年春节前夕,CSNS圆满完成了首轮开放运行任务,加速器束流功率提升至50千瓦以上。CSNS工程总指挥、工程经理陈和生院士说,首轮开放运行期间,共有来自新能源、磁性材料、高性能合金、高分子、纳米、生物材料等研究领域的40项用户课题(含8项快速申请课题)上机实验,取得了多项重要成果。

 从无到有 实现重大跨越

2000年7月,中国科学院在向国家科教领导小组提交的“中国高能物理和先进加速器发展目标”报告中提出建设中国散裂中子源的设想。2011年10月,CSNS装置奠基,2012年5月,工程土建动工。经过6年半的建设,2018年3月,CSNS按期、高质量完成了全部工程建设任务,并通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。中国人从此拥有了自己的散裂中子源。

CSNS建在13米到18米深的地下,其中直线加速器隧道长240米,环形加速器周长228米,相当于半个足球场大小。其建设内容包括一台8千万电子伏特的直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪。

CSNS的建成,填补了国内脉冲中子应用领域的空白,为材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等诸多领域的基础研究和高新技术开发提供了强有力的研究平台。它的投入运行,对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术等具有重要意义。

国家验收委员会专家认为,CSNS的性能全部达到或优于批复的验收指标。装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,靶站最高中子效率和三台谱仪综合性能达到国际先进水平。通过自主创新和集成创新,CSNS在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果,显著提升了我国在高功率散裂靶、磁铁、电源、探测器及电子学等领域的产业技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。

探秘微观 深入认知世界

通俗来说,CSNS是用中子散射的方式来探索微观世界的工具,陈和生形象地称它就像“超级显微镜”,是研究物质材料微观结构的理想探针。

在现代科学诞生之前,人类是用肉眼观察世界。后来,科学家发明了光学显微镜,我们第一次看到了肉眼无法直接观察到的微观世界。而电子显微镜比光学显微镜的分辨率还要高1000倍左右,可以看到更小的病毒。人类对微观世界的探索随着技术手段的提高,越来越走向深入,“超级显微镜”散裂中子源应运而生。

中子散射是探索物质微观结构的有力手段之一。中子和光一样,具有波粒二象性,既有波的性质,可以反射、折射、衍射、吸收,也具有粒子的性质,可以弹射、散射等。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上,大多数会不受任何阻碍地穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周散射。测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的结构。

中子散射和我们熟悉的X射线类似。X射线散射对含电子数目多的原子比较敏感,但要探测氢原子等轻元素就十分困难了。中子散射则对原子核敏感,特别是对碳、氢、氧等原子核敏感,还可以区分同位素。研究含有大量氢、氧、氮原子的生物大分子,中子散射具有更大的优势。

 首轮开放 运行效果良好

在产业中如何应用这台“超级显微镜”?陈和生举了几个例子。

“在氢动力汽车研发中,要实现氢气的稳定储存,方法之一就是用一种金属-有机框架(MOF)材料把氢气吸进去,要用的时候再把氢气释放出来。而中子散射可以帮助科学家研究氢气存在金属的什么位置、什么情况下可以更好地释放。”陈和生告诉记者,这正是散裂中子源应用的一个具体案例。

此外,中子散射还是锂电池研究的利器。“大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,可以将汽车锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。国外的散裂中子源都建设了这样专门研究锂电池的谱仪,且严加保密。”陈和生补充说,“此外,可燃冰、磁性材料以及化学反应催化剂的原位研究等,都必须使用散裂中子源。”

CSNS启动运行后,国内外用户申请非常踊跃,大科学装置的综合效应开始逐步显现。首轮共收到用户课题申请62项,覆盖能源、磁性、合金、高分子、纳米、生物材料等研究领域。经过专家评审,32项用户课题(含5项国外用户课题)获批实验机时。为了使用户更好地开展中子散射研究,CSNS还举办了“中子科学与技术在电池领域中的应用前沿研讨会”“可燃冰研发中的中子科学技术应用研讨会”“散裂中子源在催化、能源、材料及相关过程的应用前沿研讨会”等专题会议。

陈和生介绍,首轮开放中,还基于CSNS的反角白光中子实验装置全面开展了用户实验,包括5个重要核数据的测量实验,这些核数据是新一代核能工程所需要的或者测量实验是基础核物理和核天体物理的重要研究内容;开展了200多个集成电路芯片的高能中子单粒子效应研究;开展了利用中子辐照研发新型半导体材料的实验等。

中科院高能物理所副所长、东莞分部主任陈延伟说,第二轮运行开放时间为2019年2月12日至6月30日,目前已收到用户课题申请76项(含港澳地区6项,国外2项),正由专家进行评审。

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