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【南方都市报】东莞地下18米有一台“超级显微镜”
国内首台也是世界第四台散裂中子源,主体工程完工进入试运行阶段
2017-09-07|文章来源:梁锦弟 |浏览次数: |【
 

 

 

  广东东莞的国家大科学工程——— 中国散裂中子源(CSNS)装置内的直线加速器

 

  CSNS工程总指挥兼工程经理陈和生

  19年前的一天,德国一辆城际快车意外出轨,事故元凶是老化的车轮和因材料疲劳所产生的裂纹。查到这一原因的“侦探”,是位于英国的一台“超级显微镜”———散裂中子源。其实,在东莞大朗镇的地下,也藏着国内首台“超级显微镜”。8月2 8日,中国散裂中子源(CSNS)首次打靶成功获得中子束流,这标志着CSNS主体工程顺利完工,进入试运行阶段。CSNS工程总指挥兼工程经理陈和生透露,预计2018年年春,CSNS正式对国内外用户开放。据介绍,这也是继英、美、日之后世界第四台脉冲散裂中子源,也将成为发展中国家的第一台散裂中子源。

  长啥样? 

  散裂中子源装置建在13米到18米深的地下 

  坐落于东莞大朗镇的中国散裂中子源,乍看只是几栋银灰色的建筑物。陈和生表示,工程“奥秘”在地下。散裂中子源装置就建在13米到18米深的地下,工程主要建设内容包括1台8千万电子伏特的负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、两条束流运输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。CSNS一期工程束流功率为100kW,预留了进一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升级空间。

  日前,南都记者跟随中科院工作人员进入这个“巨无霸”进行参观,而参观的路线就是中子产生的路线图。第一站240米长的直线隧道。隧道位于地下18米,相当于6层楼高,需要沿着楼梯步行而下。内部开着空调,并无热感,但是因为在地下,所以手机信号较弱,只有2G.地面有用黄线划定的安全区域,与机器设备保持一定距离,参观者需要严格遵守参观规则。直线隧道内主要放置的是8千万电子伏特的负氢离子直线加速器,黄色的装置上布满线路,虽然多但是整齐,在墙壁上则是供水供电的线路。在这个隧道内完成以下步骤:离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器聚束和加速后,由漂移管直线加速器把束流能量进一步提高到8千万电子伏特。

  靶站还有相连接的谱仪 

  环隧道控制室均位于地面层 

  走过直线隧道后,需要爬上一个窄小的天桥后落地,脚下就是此次参观的第二站环隧道。各类装置呈圆形连接,周长228米。在这里,从直线加速器出来的负氢离子注入到快循环同步加速器中,通过剥离膜转化成质子,旋转近两万圈后,使束流达到最后能量16亿电子伏特。环隧道的控制室位于地面层,工程人员通过自动化、智能化等设备,监控设备的运行,及时反馈情况。束流在环隧道获得足够能量后,经过传输线引出到了靶站,也就是参观的第三站。

  这是一栋独立的建筑物,靶站还有相连接的谱仪,均位于地面上。在靶站,质子束流撞击钨靶,释放出中子,这些中子形成非常强的中子束流,中子再经慢化后与实验样品发生散射,由中子散射谱仪探测,供用户开展实验研究。CSNS规划有20个谱仪的接口,首期因为经费原因,仅设有3个,分别为通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪。陈和生透露,散裂中子源还将向国家申请二期工程建设,包括新建谱仪和将束流功率从100千瓦升级到500千瓦。

  有啥用? 

  给高铁、飞机“看病”还可以“炸死”癌细胞 

  1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,导致101名乘客死亡,88人重伤,这是世界高铁历史上第一次严重的伤亡事故。事故元凶是老化的车轮和因材料疲劳所产生的裂纹,查到这一原因的“侦探”就是英国的散裂中子源。事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用的寿命和安全性。但是这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免类似灾难发生的关键。现在科学家已经可以在散裂中子源上测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。

  “我们预计一年按照300天运行,水电费约1亿元,如果算上人员费用,每年的运行费则是1.8亿元”。CSNS加速器技术部负责人王生表示。这是一个不直接产生GDP的大型科学装置,在材料科学和技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景,推动粤港澳大湾区科技核心的形成,珠三角地区的大学和研究机构已经在筹备建设若干条用户谱仪,经济价值难以估量。据了解,这个“超级显微镜”可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制及稳定条件,为安全高效开采利用可燃冰提供科学依据。该装置与民生也息息相关,比如用于食品辐照保鲜、医疗卫生用品消毒灭菌等。中国散裂中子源已迈出产业应用的第一步。8月11日,中国科学院高能物理研究所与东阳光集团宣布联合攻关“硼中子俘获治疗项目”,让中子与磞—10“碰撞”去“炸死”癌细胞。

  设备国产化率达到96%以上 

  将为珠三角科技创新提供有力支持 

  陈和生介绍,加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,许多设备的研制达到国内外先进水平,设备国产化率达到96%以上。“美国的散裂中子源建设花了14亿美元,我们只有18亿元人民币(国家批复)”。陈和生解释,而另一方面,通过与国内机构的共同携手和攻关,双方推动国内高技术领域的发展,尤其是企业方面通过合作,感觉到技术发展和管理都有很大的进步,因而散裂中子源建设的同时,也促进了国内技术提高。CSNS的建设涉及大量先进技术,项目从2006年起开展了一系列关键技术的预制研究工作,攻克了众多技术难题。

  当初CSNS落地广东,是基于优化大型科学装置在全国布局的考虑。当前可以看到的是,CSNS可以为珠三角高新技术发展及产业化奠定坚实基础,主要体现在三个方面,一是促进企业自主创新能力的提升,二是促进传统产业的升级与改造,三是引致新兴产业的兴起与飞跃。“大型科学装置建设周期很长,至少10年甚至更长,现在形势下,大力推进大科学装置建设,是建设科创中心的一个关键手段,不少省市是现在开始筹备,而广东省在10年前就作出决定和部署,正好这个时间建成,将为珠三角的科技创新提供有力支持。”陈和生表示,从发达国家的实践经验来看,以大科学工程为核心的科学园区,前沿基础研究和高技术作为发动机和火车头,将逐渐成为区域创新高地和经济增长极,对周边地区的经济、产业发展的辐射和拉动效应,实践越久、范围越大、作用越显著。

  谁能用? 

  面向国内外用户开放 CSNS一般使用是免费的 

  2007年,CSNS正式落户广东省东莞市大朗镇,规划用地1000亩,首期用地400亩。项目预计总投资为23亿元人民币(其中国家批复投资18.8亿元)。中科院高能物理研究所是该工程建设的法人单位,共建单位为中科院物理研究所。CSNS规划20台中子谱仪接口,首期建设了3个谱仪,分别为通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪。而按照国际经验来看,未来CSNS将采取与用户共建谱仪的方式进行,更切合市场的需求。目前,作为建设“高水平理工科大学”的措施之一,东莞理工学院牵头拟建1台多物理谱仪;东莞材料基因高等研究院拟建1台材料谱仪;南方科技大学准备筹建1台高压谱仪;工信部五所拟建1台大气中子谱仪。

  根据国内用户调查,CSNS项目目前已确定的首批用户包括,中国科学院下属9个研究所的70多个研究组,以及科学院以外的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。“希望珠三角的大学、企业能够近水楼台先得月”。陈和生表示,将中国散裂中子源放在华南地区,一方面是为优化大科学装置布局,另一方面也是加强与港澳同行合作,面向东南亚地区用户开放。CSNS一般使用是免费的,但是企业需要提交使用申请。陈和生表示,“由专家评审国内外用户提交的试验申请,分配多长的时间,国内国外用户没有区分,谁水平高就谁可以做”。当前不少机构对CSNS产生兴趣,如香港城市大学教授曾是美国散裂中子源谱仪的研究者,也希望跟CSNS合作。香港科技大学的校方一年多前就到CSNS考察,最快的一个是广东东阳光集团。

   科普 

  “超级显微镜”如何“看到”微观世界 

  散裂中子源的出现,让人类能更清楚地“看到”微观世界,因而有“超级显微镜”之称。那么散裂中子源如何测量微观世界呢?在了解散裂中子源工作原理之前,先来认识一下中子。1932年,查德威克发现了中子,中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。

  研究物质结构和动力学性质 

  中子散射是理想探针之一 

  当中子入射到样品上时,与样品的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这种研究手段称之为中子散射技术。如果再形象一点的话,可以假设面前有一张看不见的网,将不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。

  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,具有非破坏性,这些特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。中子散射,可以说是微观世界研究利器。而要用中子作为探针去做各种各样的研究,就必须有一个适当的中子源。如何获得产生高通量中子的中子源,一直是科学家不断努力追求的目标。

  散裂中子源适合测量大动量(能量)范围里的散射截面 

  当前高通量的中子源,包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一种稳定连续的中子源,每次核裂变产生一个有效中子,而释放180MeV的热量。堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出,才能保证反应堆正常运行。正是因为堆芯散热条件的限制,反应堆中子通量在上世纪六、七十年代达到了饱和。随着科技的进步,小样品的快速、高分辨的中子散射测量,迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源,散裂中子源应运而生。

  与核反应堆中子源相比,散裂中子源具有许多独特性能:高脉冲通量,丰富的高能短波中子,优越的脉冲时间结构。散裂中子源的脉冲特性,可以同时利用几乎所有波长的中子,适合测量大动量(能量)范围里的散射截面,全面反映结构和动态信息。正因为散裂中子源的这些独特的性能,以及国际社会对安全评估要求越来越严,发达国家普遍利用散裂中子源进行中子散射研究。虽然中子是如此微小,但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置,是各种高、精、尖设备组成的整体。

  揭秘 

  为何会选址东莞?地理位置优越 大朗具有稳定可承重的地质结构 

  CSNS从2005年、2006年就开始选址,从北京一直到广东,最开始圈定在广州、珠海和东莞三个当中,最终中科院选择了东莞大朗,自此开启了CSNS的建设路。

  陈和生介绍,首先是优化我国大科学装置的布局,这是首次在我国华南地区建设的大科学装置,增强我国南方省份的科研创新能力,可以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,提高技术研发水平,促进经济转型。

  其次,东莞本身地理位置非常优越,处于广州、深圳、香港、澳门等城市的中心,同时面向东南亚的用户,扩展性强;另外,东莞大朗镇具有稳定、可承重的地质结构,具体到选址地,东、西、南三面为丘陵,符合建设散裂中子源的要求。例如靶站地基年不均匀沉降率不超过0.2mm,这是此类大科学装置的必备条件。

  安全如何保障?环境剂量被控制在国家标准的十分之一以内

  对于普通市民而言,最关心的莫过于安全问题,CSN S是否有辐射,地震、台风等自然灾害是否影响装置的稳定性等。“散裂中子源不是核装置,所以没有核原料。”中国散裂中子源工程经理、中国科学院院士陈和生表示,散裂中子源作为一台大型射线装置,产生的辐射是瞬发性,辐射比反应堆中子源低5-6个量级,只要加速器一停机,辐射场即消失,同时不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。

  另在CSNS的辐射防护设计中,按照国家标准设计,中国散裂中子源隧道屏蔽设计为厚度0.5米至1.5米的混凝土,隧道入口采用迷宫结构或钢与混凝土混合结构门。通过上述设计,把环境剂量控制在国家标准的十分之一以内。“在这个装置周边生活一年所受的辐照剂量,与坐一次长途飞机相当。”陈和生表示。

  抗震方面,采取抗7级地震标准,且翻查资料东莞大朗区域200年间历史,地震均不超过5级,倘若发生地震,散裂中子源机器便停止运转,辐射场即消失。而工程人员最担心的是台风,但是从当前来看,台风到东莞的概率较小。

  观察 

  东莞规划筹建中子科学城 

  9月1日,中国散裂中子源首次打靶成功的新闻发布会上,东莞副市长黄庆辉表示,东莞市通过借鉴国内外大科学装置的相关做法以及启示,结合在国家自主创新示范区和广深科技创新走廊的视野下,规划建设东莞中子科学城,打造为国内领先、世界闻名的国家综合性科技创新中心和面向全国全球的创新驱动发展新高地。

  东莞中子科学城规划范围,由松山湖南部片区、大朗象山片区、散裂中子源及生态绿地等三部分构成,总面积约为45.7平方公里。其中,松山湖南部片区北、西至松木山水库岸线,南至松山湖园区边界线,东至莞深高速,现状主要以总部基地和研发用地为主,总面积约8.9平方公里。大朗象山片区为环湖路、虎岗高速、莞深高速围合的地区,现状主要以旧村和旧厂房为主,总面积约为11.8平方公里。散裂中子源及生态绿地为虎岗高速以南、巍峨山以北地区,现状以大科学装置及生态山林为主,总面积约25平方公里。

  “中国散裂中子源与其他散裂中子源的最基本区别是,其他的中子源周边没有产业,只有CSNS坐落在产业大市,东莞希望建设中子科学城,发展高端前沿的技术,将基础和应用结合”。黄庆辉介绍,东莞对CSNS的建设寄予厚望,CSNS将于明年3月验收,常年保持600名左右的科学家搞研究,而中子科学城能集聚8万到10万科研人才集聚,他们将在东莞这一片土地上做各种基础和应用研究。

  据了解,散裂中子源已被列入东莞市重大科学基础设施“鲲鹏计划”。同时东莞也争取建设同步辐射光源等大型科学装置,计划通过大型科学装置的辐射作用和虹吸效应,吸引大量的研发机构、高新技术企业落户到东莞,在东莞这一片土地上发生化学反应,形成新的经济引擎,在粤港澳大湾区城市群竞合中,占据有利的位置。


 
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