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劳厄-朗之万研究所(ILL)
2010-08-13 | 文章来源: | 浏览次数:  |

以两位科学家名字命名的研究所ILL

1967年,为了纪念物理学家马克斯·冯·劳厄(Max Von Laue)和保罗·朗之万(Paul Langevin),法、德两国科学家将世界第一个基于反应堆和加速器的高通量中子源,命名为劳厄-朗之万研究所ILL(Institute Laue-Langevin)。

Paul Langevin

马克斯·冯·劳厄(Max Von Laue 1879-1960)(左),德国物理学家。因为发现了晶体中X射线的衍射现象,证明了X射线的波特性和晶体的晶格结构而获得1914年诺贝尔物理学奖。

保尔·朗之万(Paul Langevin 1872-1946)(右),法国物理学家,皮埃尔·居里的学生。他综合爱因斯坦的相对论和量子论,发展了现代物理学。1940年,他因著名的磁学理论而获得伦敦皇家学会授予的科普利奖章。

ILL位于法国格勒布诺尔(Grenoble),与欧洲同步辐射装置ESRF毗邻。ILL是著名的国际性科学组织,除发起国法国(原子能研究中心CEA和国家科学研究院CNRS)、德国(冯-黑尔姆霍尔茨联合会FZJ)外,英国1973年加入合作和管理,由英国政府委托科学和技术设施委员会STFC(Science and Technology Facilities Council)执行。之后,另有西班牙、瑞士、奥地利、意大利、比利时、匈牙利、俄罗斯、捷克、瑞典等11个欧洲国家成为合作伙伴。2008年,经费7850万欧元;2009年8418万欧元。24个国家近500人在此工作,包括研究生博士生、技术人员和行政管理人员。其中,法国人约占65%,德国人12%,英国人12%。

各国用户在中子源上的使用时间由各国政府的投资份额决定。法国占有1/3时间。多年来,ILL坚定不移地致力于研究液态和软物质的微结构和动力学在材料科学和工程、固体物理、化学和生物医学领域的应用。

ILL鸟瞰

The world leader in neutron science and technology

ILL主楼与夜景

高通量核反应堆RHF

中子是不可摧毁的,因此可以穿透物质内部深层而不被破坏。这一特性使之成为研究物质结构和动力学性质的理想探针,以及在不同压力、温度、磁场或极端条件下的样本。

ILL的高通量核反应堆RHF(High-Flux Reactor)提供世界最高强度的中子源,拥有近40套先进的并不断升级改造的设备和仪器。它的核心部分是一个重水冷却型高浓缩铀燃料箱,核裂变产生的中子束强度达到1.5*1015 中子/厘米2/秒,热功率为58.3MW,速度2万公里/秒。它们在被重水冷却后可急速减速至2.2公里/秒,同时产生新一轮的裂变。RHF核心处设有3个装置,分别产生热中子(10公里/秒)、冷中子和超冷中子(700米/秒和10米/秒)。热中子源区的温度保持在2600。C,冷中子源形成一个含有20升-248。C液态氘区。冷中子通过和氘原子的不断碰撞,继续减速,科学家们根据需要通过单色仪和准直器选择光源,检测样品,以便认识各种形态的物质,发展新材料和开发新药品。

ILL中子源每年分4个时间段运行,每阶段连续50天,共计200天。夏季1个月和冬季3个月停运期间添加燃料,安装、检测和维护设备设施。每年,来自世界45个国家的1800多名用户,进行基础物理、化学、生物、生化技术、纳米、结晶、材料科学、超导、磁学、液体胶态等领域800多项试验。

反应堆与实验站平面图 

核反应堆剖面

1.双层防护墙;2.D层实验大厅;3.走道;4.货物装卸口;5.热槽;6.C层实验大厅;7.走道;8.生化保护墙;

9.准直中子束出口;10.B层配套设施;11.清水池;12.重水冷却池;13.燃料;14.废料储存库;15.交换器;16.二次冷却

安全棒(Barre de securite);燃料(Element combustible);清水池(Piscine H2O);

冷水源(Source froide); 套管(Canal ou doigt de gant);重水箱(Cuve a eau lourde D2O)

 

实验大厅和设备

反应堆RHF内部              

实验大厅

中子技术和设备

中子衍射:

中子衍射技术是研究生活日用品结构和功能的独特手段,是一项测量从最简单到最复杂晶体结构的高精度技术。

小角散射:

小角散射技术并不试图看到原子,但对微粒组织的分散系统感兴趣。由于散射元素大(谷物、气泡、胶束等),衍射发生在非常小的角度。

非弹性散射:

为了了解物质的特性,必须了解原子和分子振动、旋转和移动。非弹性散射是研究这些物质运动的好手段。

伽玛光谱仪:

对高精度原子核释放的伽玛射线的测量可了解一定数量的基本物质,包括核子的内在结构和能量。

  

ILL的中子衍射中心

ILL的实验设备 

设备组
用途
设备

备注

衍射仪(DIF)

使用中子衍射来研究日常生活中所用物质的结构

粉末衍射仪:

单晶衍射仪:
大型结构组(LSS)

用于测量1到

100个纳米单位的物质结构

大型结构衍射仪:

反射仪:

飞行时间

用于研究粉末状、液体或玻璃状下凝聚态物质的动力学。

飞行时间谱仪:

高分辨率光谱仪:

三轴光谱仪(TAS)

三轴光谱仪是研究凝聚态物质的灵活工具。

FlatCone(IN8,IN14,IN20);IMPS

(IN8);UFO(IN12)

TASSE(IN20),ZETA(IN22)

核子和粒子
物理学

(NPP)

它们是研究核子和中子的粒子物理学唯一卓越的的工具。

粉末衍射仪D1A                  

单晶衍射仪D3

大型结构衍射仪D11                   

反射仪SuperADAM

飞行时间谱仪BRISP                  

高分辨率光谱仪IN10

三轴光谱仪IN12                 

核子和粒子物理学研究设备PN1

中子研究的应用领域

1、凝聚态物理,材料科学和化学

• 检查新材料结构,比如:高温超导新陶瓷或磁性材料

• 澄清电池充电过程中的未知现象

• 研究金属中氢的储存,这是可再生能源发展的重要特性

• 分析重要参数,如:聚合物(塑料材料)的弹性参数

• 胶体研究为不同学科提供新信息:石油开采、化妆品、药品和食品工业

2、生物科学:富含氢和其它较轻元素的生物材料,是中子分析的理想样本。

• 细胞膜

• 蛋白质

• 病毒调查

• 植物的光合作用

3、核物理和基本粒子

• 中子和中微子物理特性的实验

• 5米/秒的极慢中子的生成

• 原子裂变和原子核结构实验

4、工程科学:由于中子衍射为非破坏性,中子成为分析材料不同技术现象的理想之选。

• 材料剩余应力的可视化,如:铁轨

• 混凝土硬化和腐蚀现象

• 材料中的夹杂元素和微量元素

中子源与同步辐射光源的比较

同步辐射光的强度很高,能够进行聚焦,具有很好的准直性和相干性,能量可以调节,这些特性使得同步辐射光源在生命科学、材料、物理、化学、环境等领域得到了广泛的应用。中子源的强度相对较弱,能量也能够调节,目前聚焦和准直的水平还需提高,但由于中子具有很多独特的性质,如能量较低,对于所研究样品造成的破坏很小;中子具有磁矩,是研究磁性体系的有利工具;中子的穿透能力很强,可胜任工业应用的大块样品的研究。这些特性使得同步辐射光源和中子源成为相辅相成的两种手段。

中子源

同步辐射光源

粒子束(中性亚原子粒子)

光束(电磁波)

核子与未成对电子磁矩的相互作用

核子中电子的相互作用

被所有元素散射,包括较轻的元素,如氢的同位素

大多数被重元素散射

深度穿透

浅层穿透

测量较大样本,选用较弱光束

强束流测量小型或超稀液态样本

应用:磁结构和励磁

使用同位素效应的有机结构

整体研究(应力和激发)

低能谱学(分子振动)

应用:蛋白质晶体结构

快速化学反应

表面研究(缺陷和腐蚀)

高能谱学(电能水平测量)

发展前景

近40年来,ILL坚定地保持着中子学科领域的先锋地位,尤其为生命科学的发展和进步做出了积极和重要的贡献。ILL在优化自身功能的同时,敞开门户,积极开展合作,2002年11月,ILL与“科学多边形”上毗邻的欧洲同步辐射光源ESRF欧洲分子生物学实验室EMBL和让•皮埃尔•埃贝尔结构生物学实验室IBS签署成立了法国格勒诺布尔的结构生物学联合体PSB(Partnership for Structural Biology)。联合体旨在同心协力,创建卓越优化的结构生物学中心,提供以生物医学为目的的蛋白质样品生产的技术平台,开展欧洲及全球范围内蛋白质结构和功能的研发。

ILL、ESRF、EMBL位置图

在结构生物学联合体的框架下,ILL与EMBL建立了生物分子氘化试验室D-Lab,与ESRF建立材料学科学支持实验室MSSL(Materials Science Support Laboratory),以支持多种多样的材料工程应用。

另外,软凝聚态物质联合体PSCM(Partnership for Soft Condensed Matter)和高磁场联合体PHMF(Partnership for High Magnetic Fields)即将成立。

为了保持在中子学领域的前沿地位,并在未来30年内以最安全最稳定的实验设备和技术满足用户需求,ILL不惜代价对基础设施和设备进行现代化改造,改造方案是2000年确定的,改造计划分为两个阶段。

第一阶段(2001-2008):注资4000万欧元。新建6条、升级8条线站,改善基础设施。科学家们可以借此更快更好地进行更多领域的研究,例如:纳米这一新兴学科的开展。

SALSA;  VIVALDI;   LADI III;    FIGARO;  

   

MiniBall / Lohengrin;  FlatCone

D2B;        D3C;        D7;         D11;

D19;        D22;       IN5;   IN20

第二阶段(2008-2014):注资4500万欧元,安装5个新设备,2条光束线实验室IN12、GRANIT,升级3条线站:D17,IN1 Lagrange,IN4C。

 

IN16 B;         ThALES;        WASP;        

 

 D33;         SuperADAM

高能所科研处 中科院大科学装置办公室 资料来自http://www.ill.eu/


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