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散裂中子源背景资料
  文章来源: 发布时间:2011-10-20 【字号: 小  中  大   

散裂中子源:用中子看物质微观世界的工具

X射线能“拍摄”人体的医学影像,而在材料学、化学、生命科学、医药等领域,科学家们更希望有一种高亮度的“中子源”,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。散裂中子源就是一个利用中子来探索微观世界的工具。

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

中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有力手段,自查德威克1932年发现中子后,中子及中子散射的应用进一步加深了人们对物质微观结构的认识。由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及具有非破坏性,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。当一束中子入射到所研究的对象上时,与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用,被散射出来,通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,可以获取在原子、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、分子在哪里,原子、分子在做什么,这种研究手段就叫中子散射技术。

同步辐射和中子散射优势互补

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,而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。

散裂中子源与反应堆中子源各具特色

散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置,通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应,每个高能质子可产生20~40个中子。它与反应堆中子源两者各具特色,相互补充,为我国中子科学的发展贡献力量。

世界上正在运行的脉冲式散裂中子源

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。

英国卢瑟福实验室的ISIS能产生通量为8*1015cm-2s-1的脉冲中子,其脉冲中子通量已高出通量最高的反应堆近一个量级。通过升级改造,ISIS将把质子加速器束流功率从160kW提高到240kW,同时正在建设第二靶站。

在美国,以橡树岭国家实验室为主的六大能源部国家实验室携手合建了一台设计束流功率为1.4MW的散裂中子源SNS,它提供的脉冲中子通量高达1017cm-2s-1,项目总投资高达14亿美元。

在日本,日本原子能研究所与高能加速器研究机构合建了强流质子加速器研究联合装置J-PARC,工程总投资约18亿美元,其中一台3GeV的快循环同步加速器将提供设计束流功率为1MW的质子束流用于驱动散裂中子源。

中国散裂中子源的系统构成

我国的散裂中子源项目主要建设1台80MeV负氢离子直线加速器、1台1.6GeV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。

下图给出了中国散裂中子源系统构成示意图。离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器(RFQ)聚束和加速后,由漂移管直线加速器(DTL)把束流能量进一步提高到80MeV,负氢离子经剥离后注入到快循环同步加速器(RCS)中,使束流达到最后能量1.6GeV。从RCS引出的高能质子束流经传输线打向钨靶,在靶上产生的散裂中子经慢化,再通过中子导管引向谱仪,供用户开展实验研究。

设计图

中国散裂中子源的用户

根据国内用户调查,目前已确定的首批用户包括中国科学院下属的9个研究所的70多个研究组以及科学院外22所大学和中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院等研究机构的30多个研究组。除上述基础科学研究和应用基础科学研究方面外,中子散射在工程和工业方面的应用需求也非常大。我国在凝聚态物理、化学、材料、生物科学、聚合物和软物质、地球科学、机械加工工业、核物理、质子成像和医学应用等领域内拥有较强的研究队伍和较好的研究基础,他们都将是CSNS的潜在用户。

根据国家科技发展需要,预计将在广东东莞建设成一个以散裂中子源为主的,包括多个大科学装置的大型科学研究基地,为国家的科技进步和创新做出大的贡献。

中国散裂中子源落户东莞的意义

中国科学院将散裂中子源落户广东省,其主要战略考虑是优化我国大科学装置的布局,将中国科学院在基础科学研究、应用基础研究和高技术研发方面的雄厚实力与珠三角地区强劲的经济实力相结合,推动南方各省在大科学装置上开展基础科学和应用科学研究,以及高技术研发的水平,促进经济转型。

2007年2月,中国科学院与广东省人民政府共同签署了《中国科学院、广东省人民政府关于中国散裂中子源项目暨广东东莞散裂中子源国家实验室合作备忘录》,广东省作为散裂中子源的共建部门,共同参与建设。

散裂中子源建在广东省东莞市大朗镇。广东省人民政府首期提供400亩装置用地和松山湖科技产业园区生活用地及七通一平条件,同时广东省和东莞市人民政府在项目建设期间共为中国散裂中子源项目及广东东莞散裂中子源国家实验室提供配套建设资金5亿元,用于配套设施、散裂中子源国家实验室基础设施建设及人才引进等。

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