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中國(guó)首臺(tái)脈沖中子科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置建成

[ 2007-02-14 09:28 ]

 

背景資料

大科學(xué)裝置與散裂中子源

大科學(xué)裝置包括兩類(lèi),一類(lèi)是面向單一學(xué)科的專(zhuān)用裝置,例如高能物理領(lǐng)域的加速器、天文領(lǐng)域的望遠(yuǎn)鏡、核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等;另一類(lèi)是面向多學(xué)科的大型公用研究平臺(tái),主要包括同步輻射裝置、散裂中子源等。其作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的“利器”互為補(bǔ)充、相得益彰:同步輻射,即高能電子加速器產(chǎn)生的高強(qiáng)度的X光,對(duì)電子結(jié)構(gòu)和重原子敏感;散裂中子源則對(duì)原子核和輕原子敏感。

中子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子,但要用它研究物理和生物材料,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們的“亮度”總是不夠。為此,科學(xué)家用高能質(zhì)子等快速粒子轟擊重原子核,使其中部分中子“散裂”出來(lái),然后用中子束流瞄準(zhǔn)樣品,探測(cè)、計(jì)算得到散射中子的能量、散射角度及位置,進(jìn)而得到固體位置、運(yùn)動(dòng)、特性等信息。據(jù)悉,中子散射可幫助科學(xué)家了解從液態(tài)晶體到超導(dǎo)陶瓷、從蛋白質(zhì)到塑料、從金屬到膠粒等各種物質(zhì)特性的詳細(xì)情況。

中子散射技術(shù)已成為當(dāng)前研究物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)過(guò)程最重要的工具之一,在諸如凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物工程等領(lǐng)域被廣泛采用。特別是隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,薄膜、納米團(tuán)簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等研究體系成為研究的主要對(duì)象,這些物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元更大、樣品體積更小、結(jié)構(gòu)形態(tài)變化更快,為滿(mǎn)足這些科學(xué)與技術(shù)研究的需要,迫切需要建立散裂中子源這樣的科學(xué)平臺(tái)。目前中子散射技術(shù)已在生物、生命、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域發(fā)揮著X射線(xiàn)無(wú)法取代的作用,成為科學(xué)研究和新材料研發(fā)中必不可少的工具。同時(shí),中子散射在磁性凝聚態(tài)物理、納米材料、高強(qiáng)度高性能塑料、蛋白質(zhì)和生物、高溫超導(dǎo)機(jī)理、同位素辨識(shí)、工業(yè)無(wú)損深度探傷、污染及廢料處理等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

利用中子,首先必須有中子源。散裂中子源是世界中子源的主流發(fā)展方向,它與核反應(yīng)堆中子源相比具有許多獨(dú)特性能:高脈沖通量,豐富的高能短波中子,優(yōu)越的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu),低本底,且不使用核燃料,只產(chǎn)生極少量活化產(chǎn)物,等等。

近年來(lái),隨著強(qiáng)流加速器技術(shù)的發(fā)展,百千瓦到兆瓦級(jí)束流功率的散裂中子源成為國(guó)際公認(rèn)的、新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。進(jìn)入21世紀(jì),美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)識(shí)到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要地位,紛紛把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措:

在美國(guó),總投資14億美元、設(shè)計(jì)束流功率為1.4 兆瓦的散裂中子源(SNS)經(jīng)過(guò)7年建設(shè)現(xiàn)開(kāi)始調(diào)束,并于2006年4月28日產(chǎn)生出第一束中子,其升級(jí)工程同時(shí)啟動(dòng);

在日本,總投資約18億美元的日本質(zhì)子加速器研究聯(lián)合裝置(J-PARC)正在建設(shè)中,建設(shè)周期約8年。其快循環(huán)同步加速器將提供1兆瓦的質(zhì)子束流用于驅(qū)動(dòng)散裂中子源;

在英國(guó),對(duì)已成功運(yùn)行20余年的散裂中子源(ISIS)投資約3億美元進(jìn)行升級(jí)改造其質(zhì)子加速器,并正在積極建設(shè)ISIS的第二靶站;

亞洲鄰國(guó)韓國(guó)和印度,也正在積極籌建束流功率為百千瓦量級(jí)的散裂中子源:PEFP和ISNS。

重大基礎(chǔ)、前沿研究歷來(lái)是產(chǎn)生諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃。自1895年X射線(xiàn)被倫琴發(fā)現(xiàn)以來(lái),因X射線(xiàn)及其應(yīng)用領(lǐng)域中的研究而獲得的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就有7項(xiàng),化學(xué)獎(jiǎng)有5項(xiàng),醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)有2項(xiàng);X射線(xiàn)的相關(guān)應(yīng)用,也已覆蓋與人類(lèi)生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。中子散射方面,沙爾和布羅克豪斯因分別利用中子散射研究磁結(jié)晶學(xué)及晶格動(dòng)力學(xué),獲得了1994年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

散裂中子源不僅面向世界科學(xué)前沿,有力地提升我國(guó)基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平,同時(shí)促進(jìn)我國(guó)在能源、國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。深海儲(chǔ)存有大量甲烷等有機(jī)可燃小分子的水合物,即所謂可燃冰,是有待開(kāi)發(fā)的一種新型能源。高壓下的中子衍射技術(shù)可用來(lái)研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件,其研究成果將為安全、高效地開(kāi)采和利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)散裂中子源項(xiàng)目發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)流質(zhì)子加速器,可用于航天器件輻照效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)研究。利用中子散射對(duì)工程材料和部件缺陷及應(yīng)力的深度檢測(cè),可為工程部件確定可靠的使用期限,現(xiàn)在已經(jīng)成為一種先進(jìn)的無(wú)損檢驗(yàn)方法。散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究。質(zhì)子治療是利用加速器提供的質(zhì)子束流照射并最終殺死腫瘤細(xì)胞的一種先進(jìn)治療手段,已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用。

專(zhuān)家指出,中國(guó)散裂中子源是一臺(tái)大型射線(xiàn)裝置,但它產(chǎn)生的輻射的絕大部分是瞬發(fā)性的。散裂中子源產(chǎn)生的剩余產(chǎn)物活性低于反應(yīng)堆中子源的1/1000。通過(guò)采取有效的防護(hù)措施和嚴(yán)格的安全聯(lián)鎖,可以確保裝置在正常運(yùn)行或設(shè)備故障期間,其對(duì)環(huán)境的影響完全控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。在正常運(yùn)行狀況下,裝置的科學(xué)壽命將超過(guò)30年。

編輯:曉棠 來(lái)源:科學(xué)時(shí)報(bào)


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