“超级显微镜”能“看”清什么

近日,中国散裂中子源靶站遥控维护综合试验平台项目顺利完成现场验收。现场验收由东莞分部殷雯担任验收组组长,纪全担任测试组组长。
靶站遥控维护综合试验平台是一个集多功能于一体的平台,结合了靶站慢化器反射体、中子束窗、质子束窗三大关键部件的遥控维护模拟与训练,以及新的MR正式件组装的功能。该平台为以上关键部件的遥控维护模拟创造条件,以此为基础可实现对应各项遥控维护工艺和工装的优化,为靶站稳定可靠运行提供保障。
测试组经过现场检查,认为靶站遥控维护综合试验平台所有技术指标均满足设计要求,验收组同意该项目通过现场验收。
是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置,是位于国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置,可带动物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等学科发展。建成后,CSNS将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源,和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起,构成世界四大脉冲散裂中子源。2018年8月23日,中国散裂中子源通过国家验收,投入正式运行,并将对国内外各领域的用户开放。
中国散裂中子源建设包括:一台80MeV负氢直线加速器,一台1.6GeV快循环质子同步加速器,两条束流输运线,一个靶站,7台中子散射谱仪、辐射防护系统及相应的配套设施,随着科学研究的深入,未来中子反射谱仪将达18台。束流功率为100千瓦、脉冲重复频率25赫兹的CSNS脉冲中子通量设计指标超过目前世界上正在运行的所有散裂中子源,将为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合试验装置。

散裂中子源产生强脉冲中子,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,为材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。中国散裂中子源是我国“十二五”期间建设的规模*大的大科学装置,将成为世界上第四台脉冲式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探测核外电子来研究物质结构的同步辐射装置互为补充,都是研究物质结构的强有力工具。
中子散射:微观世界研究利器
1932年,查德威克发现了中子,人们认识到原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。中子的发现及应用是20世纪*重要的科技成就之一。
当中子入射到样品上时,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,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。
做一个较为形象的比喻,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*地描绘出来,甚至推断其材质。
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,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,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。
优势互补:同步辐射和中子源
同步辐射产生的高亮度X射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,从而探知物质的微观信息;而中子是电中性的,它与电子云基本不发生相互作用,主要与物质中的原子核相互作用。因此,作为探测微观结构的两种主要探针,同步辐射和中子散射看到的正好是物质的两个不同的方面。这种优势互补,已经被许多学科用来准确地研究物质中原子的位置、排列、运动和相互作用等。
Al23的结构 ——红、白色部分分别是同步辐射和中子散射的结构分析结果
我们要进行中子散射的研究,要用中子做探针,去开展各种各样的研究,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。通常使用235U作为核燃料,每次核裂变产生一个有效中子,而释放180MeV的热量。堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出,才能保证反应堆正常运行。正是因为堆芯散热条件的限制,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。
与核反应堆中子源相比,散裂中子源具有许多独特性能:高脉冲通量,丰富的高能短波中子,优越的脉冲时间结构。
散裂中子源除长波中子外,还有丰富的短波中子,为高能量和高动量转移的中子散射提供了保证,适于研究原子尺度微结构和研究较高能量的激发(光学声子、氢原子扩散等)。散裂中子源的脉冲特性,可以同时利用几乎所有波长的中子,适合测量大动量范围里的散射截面,全面反映结构和动态信息。
由于散裂中子源的这些独特的性能,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。
装置探秘:小中子,大装置
虽然中子是如此微小,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。
世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国的 ISIS、美国的 SNS
和日本的J-PARC。
中国散裂中子源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,从而大幅提升中国基础研究和高技术的水平。
CSNS
整个装置建在13米到18米的地下。其主要建设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、3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。CSNS一期工程中子谱仪数量为3台,束流功率为100kW,且预留了进一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升级空间。
下图给出了CSNS系统构成示意图。离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器聚束和加速后,由漂移管直线加速器把束流能量进一步提高到80兆电子伏特,负氢离子经剥离后注入到快循环同步加速器中,使束流达到*后能量16亿电子伏特。从RCS引出的高能质子束流经传输线打向钨靶,释放出中子,这些中子形成非常强的中子束流,中子再经慢化后与实验样品发生散射,由中子散射谱仪探测,供用户开展实验研究。
设备研制:国产化率超过96%
CSNS由中科院和广东省共同建设,选址于广东省东莞市大朗镇,规划用地1000亩,首期用地400亩。项目预计总投资为二十三亿元人民币。中科院高能物理研究所是该工程建设的法人单位,共建单位为中科院物理研究所。
CSNS的建设涉及大量先进技术,项目从2006年起开展了一系列关键技术的预制研究工作,攻克了众多技术难题。加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,许多设备的研制在达到国内外*,设备国产化率达到96%以上。
2011年10月,散裂中子源建设奠基。2014年10月,加速器首台设备——负氢离子源进入隧道安装。目前,项目土建工程已经完成,加速器和靶站设备安装基本完成,谱仪设备安装紧张进行中,直线加速器正在调束。工程总体进展顺利,计划将于2018年竣工验收。
应用前景:多学科研究新平台
1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,事故元凶竟然是老化的车轮。车轮在英国散裂中子源上检测,发现其中的内部裂痕。
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类似灾难发生的关键。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。
CSNS装置的建设大大加强了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了良好的机遇。

[video:20180326国之重器我国首台散裂中子源建成]

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行业动态
】日前,位于广东东莞的国家大科学工程——中国散裂中子源打靶成功,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?记者奔赴现场,为您一一揭晓。中国散裂中子源园区鸟瞰图。中国散裂中子源供图
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,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,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、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。
编辑点评
散裂中子源在材料科学技术、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。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。
(原标题:“超级显微镜”能“看”清什么)

3月25日,中国散裂中子源工艺验收暨工艺鉴定会在中国科学院高能物理研究所东莞分部召开。由国家自然科学基金委员会,中国原子能科学研究院,清华大学,中国科学技术大学,中科院高能物理研究所、近代物理研究所、物理研究所、上海应用物理研究所等单位的18位专家组成的验收专家组,对中国散裂中子源工程进行了鉴定验收。中科院院士詹文龙担任验收专家组组长。

鉴定验收组经过现场考察和听取报告,认为:中国散裂中子源性能全部达到或优于国家发展和改革委员会批复的验收指标;装置整体设计科学合理,研制设备质量精良,调试速度快于国外的散裂中子源;靶站最高中子效率达到国际先进水平。

建成后的中国散裂中子源成为中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源,填补了国内脉冲中子应用领域的空白,将为我国材料科学技术、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究手段,对满足国家重大战略需求、解决前沿科学问题具有重要意义。

中国散裂中子源通过自主创新和集成创新,在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果。设备国产化率超过90%,显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关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,技术和综合性能进入国际同类装置先进行列。例如,国内首次研制成功25Hz交流谐振励磁的大型二极和四极磁铁及电源,交流磁场精度达到同类装置国际领先水平;自主研制成功液氢慢化器,通过靶-慢化器-反射体紧凑耦合的物理和工程设计,保证靶站高中子效率,等等。

中国散裂中子源由中科院高能所承建,共建单位为物理所,于2011年9月开工建设,工期6.5年,总投资约23亿元,主要建设内容包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站,以及一期三台供中子散射实验用的中子谱仪,是由各种高精尖设备组成的整体。

中国散裂中子源就像一台“超级显微镜”,是研究物质微观结构的“国之重器”,在材料科学和技术、生命科学、物理学、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景,将为我国产生高水平的科研成果提供有力支撑,并为解决国家可持续性发展和国家战略需求的许多瓶颈问题提供先进研究平台。该装置将成为广东省正在建设的国家科技产业创新中心的核心单元,有望为粤港澳大湾区科技发展和产业升级作出重大贡献。

2017年8月,中国散裂中子源首次打靶成功并获得中子束流,装置后续的进展也“势如破竹”。2017年11月达到打靶束流功率的验收指标;2018年春节期间科研人员加班加点,继续进行紧张的调试运行。期间,加速器运行稳定,束流功率和连续运行时间均创调束以来的新高,首期三台中子谱仪,即通用粉末衍射仪、小角散射仪和多功能反射仪都顺利完成样品实验。通用粉末衍射仪已经完成两个高水平的用户实验。

中国散裂中子源建成后,将充分发挥一期三台谱仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,为广大用户提供国际先进的研究平台。同时,为充分发挥装置作用,满足中子散射研究和应用用户迫切需求,专家委员会建议,中国散裂中子源应尽快达到设计指标,实现稳定运行,在装置通过验收后尽快启动二期工程立项,开始后续谱仪建设,进一步提升束流功率。

相关链接:中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流

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工艺验收暨工艺鉴定会现场

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中国散裂中子源园区

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中国散裂中子源漂移管直线加速器

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中国散裂中子源快循环同步加速器

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中国散裂中子源靶站