當前位置:首頁 > 新聞活動
                  【廣州日報】中國散裂中子源 讓微觀世界無所遁形
                  時間 : 2018-08-03     

                   

                   散裂中子源設備樓航拍。

                   靶站:是產生中子的關鍵地方。

                   正在吊裝的慢化器:通過慢化器,才能獲得能夠得以應用的中子。

                  首臺設備安裝之時。  

                    不明覺厲的散裂中子源?掃一掃,你就明白了。

                    致敬超級工程系列之二

                    文/廣州日報全媒體記者 劉麗琴

                    圖/廣州日報全媒體記者 蘇俊杰

                    視頻剪輯 廣州日報全媒體記者李凡丁

                    在廣東東莞大朗鎮有這樣一座占地面積達400畝的神秘建筑群——大科學裝置中國散裂中子源(CSNS)即藏身其中。從外觀來看,不規則排列的幾棟建筑看不出其神奇之處,只有一兩個圓形巢狀建筑透露出些微高科技感,其實它的核心在13米到18米的地下。今年3月,通過工藝鑒定和工藝驗收的中國散裂中子源,作為繼英國、美國、日本之后,世界上第四個脈沖式散裂中子源為大眾知悉。對于科學家來說,散裂中子源就像超級顯微鏡,通過中子譜儀既能研究材料中原子們“在哪里”,還能發現它們在“干什么”。對于普通人來說,它能用來探測新型鋰電池材料和檢測飛機、高鐵的安全性。中國散裂中子源有何先進的設計理念,又有何獨到之處?日前,記者實地探訪了該項目,為大家揭秘。

                    設計核心:加速器似引擎靶站是成敗關鍵

                    很多人都拍過胸片,對CT也比較熟悉,這些都是用X光透視拍攝的,實際上,還有一種更“厲害”的透視拍照——中子成像。例如,一尊泥土制成的文物人像,內部其實有木架支撐。但X光感應碳、氫、氧為主要元素的木頭能力較弱,因此無法看清其內部結構。此時,利用中子成像技術,就能清晰地看到文物內藏的木架結構。同時,中子的穿透能力極強,還可對較厚物體和金屬材料進行透視成像,能夠實現核燃料元件的內部結構缺陷的無損檢測。可以說,借由中子散射,人們對微觀世界的了解前進了一大步。

                    中國散裂中子源投資達23億元,是我國第一個脈沖型散裂中子源。中國散裂中子源之所以落地東莞大朗,既是因為這里地質結構穩定,也是為了優化我國大科學裝置的布局,推動珠三角的科技創新和產業升級。

                    走進中國散裂中子源,可以看到整個項目的地表建筑非常簡單,辦公樓的設計簡約穩重。只有大堂中懸掛的十多個院士的照片,隱隱顯示這個單位科研實力之強大。“地面建筑不是重點和關鍵”,工作人員對記者表示,散裂中子源整個裝置建在距離地面13米到18米的地下。據悉,目前散裂中子源已處于24小時開機工作狀態,在持續不斷產生中子,供研究使用。

                    中國散裂中子源其實是各種高精尖設備組成的復雜整體,包括一臺強流負氫離子直線加速器,一臺快循環質子同步加速器,一個靶站,20臺(一期3臺)中子譜儀等科學實驗設施以及相關配套設施。

                    從散裂中子源的工作流程來看,首先是離子源產生負氫離子束流并通過直線加速器加速到80MeV,再注入到快循環同步加速器;經過剝離膜轉換為質子;質子束流積累到足夠強并進一步加速,達到16億電子伏特的能量后,從環形同步加速器中引出,經傳輸線去轟擊原子系數很高的重金屬靶;金屬靶的原子核被撞擊產生中子,經慢化后射向樣品,通過與物質原子核的相互作用獲得樣品物質結構的信息,供研究之用。

                    因此,加速器和靶站譜儀的設計是整個項目的核心。加速器如引擎般產生動力,靶站譜儀則對能否產生需要的中子及中子散射實驗起到至關重要的作用。

                    快循環同步加速器:在這里,負氫離子經過剝離膜轉換為質子,質子束積累到足夠流強后被進一步加速,達到16億電子伏特的能量后引出,打向鎢靶。

                    加速器設計: 巧妙組合 預留五倍升級空間

                    中國科學院高能物理研究所東莞分部副主任王生對記者表示,就像對卡車要求承重和安全,而對跑車要求速度一樣,散裂中子源的加速器是強流質子加速器,要滿足特殊需求:高功率,打靶的功率要高,同時要求束流損失最少。設計上采用倒推方法,根據最后的束流指標、時間結構、功率反推同步加速器、直線加速器的設計指標。這是一個復雜卻精密的過程,僅加速器就由近萬個設備組合而成,參與設計的團隊超過150人,涉及十多個專業。

                    中國散裂中子源的質子束流功率為100kW(千瓦),束流功率指標和目前世界上的最高功率的散裂中子源還有一定的差距,這是經過各種權衡后確定設計。同時,經過精心和巧妙地設計,利用很小的代價,保留了升級到500kW束流功率的能力,在設計階段預留五倍的束流功率升級空間也比較少見。

                    先進散裂中子源的加速器構成,通常采用兩種加速器組合,一種是全能量的直線加速器加累積環的方案,如美國的散裂中子源 SNS;一種是采用較低能量的直線加速器后接快循環質子加速器的方案。對中國散裂中子源這樣的束流功率為百千瓦量級的裝置,后一種加速器方案比前一種造價更低,并且易于保留未來的束流功率升級的能力。因此,作為中國的第一臺散裂中子源,采用了最先進的強流加速器的設計理念,低能直線加速器加快循環高能同步加速器的加速器方案,即能滿足目前的國內的中子散射研究的需要,也保留了未來進一步提升束流功率的能力。

                    打靶束流功率和單位時間內的打靶次數成正比,單位時間內打靶的次數越多,則打靶的束流功率越高。普通的同步加速器的循環周期在幾秒到分鐘量級,而中國散裂中子源的同步加速器的循環周期是40毫秒,即每秒鐘提供25次打靶束流,因此稱之為快循環。

                    快循環帶來了諸多技術挑戰。很多在普通同步加速器上成熟的技術,在快循環同步加速器上都變成了需要攻克的技術難題。比如,在快循環狀態下交流運行,澆鑄的疊片鐵芯散片、線圈環氧開裂等正常情況下不會出現的問題,都出現了。據王生介紹,從預研階段開始,花了近六年的時間,通過課題組和工廠的密切合作,從環氧的配方,到每一個工藝細節,都進行了細致反復的實驗和探索,在經歷了多次失敗后,最終解決了所有問題。

                    靶站設計: 優化設計為獲得更多中子數量

                    加速器讓質子獲得高能量輸入到靶站,而最終產生適合譜儀的中子數量和質量還需要靶站的優化設計,中國科學院高能物理研究所東莞分部副主任梁天驕對記者表示。事實上,地球上的萬物在微觀上由質子、中子和電子構成,中子貢獻了近一半的質量,不過這些中子被強相互作用力約束在原子核中,散裂中子源靶站產生的是自由的中子。

                    中子的能量范圍很寬,速度越快能量越大,自然界存在的中子能量范圍是從幾個meV(毫電子伏特)到超過GeV。中子具有波粒二象性,1eV的中子對應的波長是0.286埃,10meV的中子對應波長就是2.86埃,能量越低對應的波長越長。散裂中子源主要用到的中子是在1eV以下能量的中子,對應的波長從約0.3埃到十幾埃甚至更長,而這與要研究對象的物質微觀結構尺度相當,比如鉆石,其晶體結構中碳原子和碳原子的間距約1.5埃,要觀察這個間距的微觀結構,就要用波長和間距差不多的中子。

                    如何能產生能量速度與譜儀需求相匹配的中子,就需要通過靶站。靶站由靶體、慢化器、反射體及屏蔽等組成。通過加速器獲得的高能質子沿質子束道進入靶站,射入重金屬靶體,入射質子可與原子核內的單個質子或中子發生級聯碰撞,將部分能量轉移給被碰撞的中子和質子,增加它們的動能,從而被轟擊出來,發生級聯碰撞后的原子核溫度升高,部分原子核內的中子就會“沸騰”起來,并脫離原子核的束縛發射出來,同時,在級聯過程中轟出的能量較高的中子和質子,還可以繼續打中其他原子核,產生更多的中子,這個過程就被稱為散裂反應,這也是散裂中子源名稱的來源。散裂反應產生的快中子飛向各個方向,能量較高,必須經過慢化器的慢化才能供實驗所用。就好像打臺球一樣,通過碰撞讓自身速度慢下來,因此慢化器的設計非常關鍵。

                    梁天驕表示,在設計過程中為了獲得更多滿足條件的中子,進行了大量的靶-慢化器-反射體緊湊耦合的物理、工程設計和優化以及工藝探索,比如慢化器的構型和引出結構優化等。

                    應用前景 為改進和優化汽車鋰電池提供支持

                    中子具有穿透力強、對輕的元素敏感、可研究磁性等特點。散裂中子源為眾多學科前沿領域的研究提供了一種先進、不可替代的研究工具。它就像一臺超級顯微鏡,研究諸如新材料、DNA、聚合物等的結構,揭開這大千世界的神秘面紗。

                    據介紹,中國散裂中子源靶站可為20條譜儀提供束流,一期已建設三臺譜儀。例如,可以用于研究發現儲能密度更高的新鋰電池材料,也可實時原位測量在幾百次充放電的過程中,鋰電池各個部分性能的變化,為改進和優化鋰電池提供關鍵數據。

                    CSNS近期還將建設更多的譜儀,包括大氣中子譜儀、高壓譜儀、應力譜儀、中子照相等。大氣中子譜儀可用于電子器件和電子系統的大氣中子輻照效應研究,用于航空電控系統、地面高可靠電子設備等研發的高能量中子的加速測試,一百年的自然輻照過程在該譜儀上一分鐘就可能完成了。高壓譜儀可以研究,可燃冰是在什么條件下形成的,模擬可燃冰的形成條件,讓穿透性很強的中子進去,加載不同的壓力條件觀察其變化。應力譜儀可以用于研究輪軌和機翼的殘余應力,優化機械加工工藝,使高鐵和飛機變得更安全舒適。

                    CSNS的研究人員也正利用散裂中子源建造中形成的技術進行技術轉化,研發新型的硼中子俘獲治療癌癥設備。

                    來源:《廣州日報》2018年07月16日

                    【視頻版】http://vod.dayoo.com/vt_oss/vt/play.action?pid=18455&from=groupmessage&isappinstalled=0