“超级显微镜”带你探微格物

本文转自：鲁中晨报
“超级显微镜”带你探微格物
探访中国散裂中子源

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工作人员在调试直线加速器有关设备。

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中国散裂中子源的环设备楼,快循环质子同步加速器位于此。广东东莞大朗镇,松山湖科学城。
这里曾是一片荔枝林,如今坐落着一座“中子工厂” 。
中国散裂中子源(CSNS),我国迄今为止已建成的单项投资规模最大的大科学工程。它的建成,使我国成为继英国、美国、日本之后,世界上第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。
前不久,中国散裂中子源二期工程组织了可行性研究报告评审。明年上半年,二期工程有望动工建设。
散裂中子源是什么,为什么被称为“国之重器”?
中国科学院高能物理研究所(简称中科院高能所)副所长、东莞研究部主任陈延伟打了个比方:“简单来说,散裂中子源就是一台‘超级显微镜’,其产生的中子如同‘探针’,可以清晰检测物质的内部结构。 ”
陈延伟介绍,作为当今人类深度探索微观世界的有力工具,散裂中子源广泛应用于新材料研发、关键零部件的性能检测等热门领域,为材料科学技术、物理学、化学化工、生命科学、新能源等基础研究和应用研究提供先进的科研平台,对满足国家重大战略需求和解决前沿科学诸多领域的瓶颈问题具有重要意义。
设备研制达到国际先进水平,
核心设备国产化率达90%以上
中子,组成原子核的基本粒子之一。
中子有很多特质。它不带电,但有磁矩,能很好地帮助我们对磁性结构做研究；它穿透力强,具有非破坏性,能够原位地研究大的工程部件的残余应力和金属疲劳,为高端制造保驾护航；它对生命科学和能源领域极为重要的元素,如碳、氢、氧、氮等,都比较敏感；它跟原子核相互作用,能够区分同位素……
“这些特质,决定了中子在微观研究领域的不可替代性。 ”中科院高能所东莞研究部副主任、散裂中子源科学中心副主任金大鹏对采访人员说。
研究物质微观结构需要大量中子,这就要用到能安全、高效地产生中子的散裂中子源。
中国散裂中子源主要由三大部分构成:2台加速器,包括1台负氢离子直线加速器、1台快循环质子同步加速器；1个靶站；多台中子谱仪。此外,还有相应配套设施。
陈延伟介绍了其工作原理:将质子加速到16亿电子伏特,把速度相当于0.92倍光速的质子束当成“子弹”,去轰击原子序数很高的重金属靶。靶的原子核被撞击出质子和中子,科学家通过特殊的装置“收集”中子,开展各种实验。
建设中国散裂中子源的建议,始于上世纪九十年代末期关于中国高能物理发展战略的研究。此后,中国散裂中子源被列入国家“十一五”大科学装置建设计划。 2006年,中国散裂中子源选址广东东莞。
2011年,中国散裂中子源开始正式建设。 2017年8月,首次质子打靶,成功获得中子束流；2018年3月,正式建成；2018年8月,正式通过国家验收,投入运行。
散裂中子源装置庞大,设备部件繁多,工艺复杂。 “建设散裂中子源,很多技术都需要从头探索。 6年半时间就能建成,离不开关键核心技术的突破。 ”金大鹏介绍。
快循环质子同步加速器所用的25赫兹交流磁铁,在我国属首次研制。研制期间,遇到了超乎想象的技术难题。
铁芯和线圈振动开裂、涡流发热……如何解决这些经验之外的新问题?科研人员与合作单位联合攻关,最终依靠自己的力量研制出合格的磁铁。科研人员还创新提出了谐振电源的谐波补偿方法,解决了多台磁铁之间的磁场同步问题。