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【广州日报】中国散裂中子源 让微观世界无所遁形
2018-07-16|文章来源: |【
 

 

 散裂中子源设备楼航拍。

 靶站:是产生中子的关键地方。

 正在吊装的慢化器:通过慢化器,才能获得能够得以应用的中子。

首台设备安装之时。  

  不明觉厉的散裂中子源?扫一扫,你就明白了。

  致敬超级工程系列之二

  文/广州日报全媒体记者 刘丽琴

  图/广州日报全媒体记者 苏俊杰

  视频剪辑 广州日报全媒体记者李凡丁

  在广东东莞大朗镇有这样一座占地面积达400亩的神秘建筑群——大科学装置中国散裂中子源(CSNS)即藏身其中。从外观来看,不规则排列的几栋建筑看不出其神奇之处,只有一两个圆形巢状建筑透露出些微高科技感,其实它的核心在13米到18米的地下。今年3月,通过工艺鉴定和工艺验收的中国散裂中子源,作为继英国、美国、日本之后,世界上第四个脉冲式散裂中子源为大众知悉。对于科学家来说,散裂中子源就像超级显微镜,通过中子谱仪既能研究材料中原子们“在哪里”,还能发现它们在“干什么”。对于普通人来说,它能用来探测新型锂电池材料和检测飞机、高铁的安全性。中国散裂中子源有何先进的设计理念,又有何独到之处?日前,记者实地探访了该项目,为大家揭秘。

  设计核心:加速器似引擎靶站是成败关键

  很多人都拍过胸片,对CT也比较熟悉,这些都是用X光透视拍摄的,实际上,还有一种更“厉害”的透视拍照——中子成像。例如,一尊泥土制成的文物人像,内部其实有木架支撑。但X光感应碳、氢、氧为主要元素的木头能力较弱,因此无法看清其内部结构。此时,利用中子成像技术,就能清晰地看到文物内藏的木架结构。同时,中子的穿透能力极强,还可对较厚物体和金属材料进行透视成像,能够实现核燃料元件的内部结构缺陷的无损检测。可以说,借由中子散射,人们对微观世界的了解前进了一大步。

  中国散裂中子源投资达23亿元,是我国第一个脉冲型散裂中子源。中国散裂中子源之所以落地东莞大朗,既是因为这里地质结构稳定,也是为了优化我国大科学装置的布局,推动珠三角的科技创新和产业升级。

  走进中国散裂中子源,可以看到整个项目的地表建筑非常简单,办公楼的设计简约稳重。只有大堂中悬挂的十多个院士的照片,隐隐显示这个单位科研实力之强大。“地面建筑不是重点和关键”,工作人员对记者表示,散裂中子源整个装置建在距离地面13米到18米的地下。据悉,目前散裂中子源已处于24小时开机工作状态,在持续不断产生中子,供研究使用。

  中国散裂中子源其实是各种高精尖设备组成的复杂整体,包括一台强流负氢离子直线加速器,一台快循环质子同步加速器,一个靶站,20台(一期3台)中子谱仪等科学实验设施以及相关配套设施。

  从散裂中子源的工作流程来看,首先是离子源产生负氢离子束流并通过直线加速器加速到80MeV,再注入到快循环同步加速器;经过剥离膜转换为质子;质子束流积累到足够强并进一步加速,达到16亿电子伏特的能量后,从环形同步加速器中引出,经传输线去轰击原子系数很高的重金属靶;金属靶的原子核被撞击产生中子,经慢化后射向样品,通过与物质原子核的相互作用获得样品物质结构的信息,供研究之用。

  因此,加速器和靶站谱仪的设计是整个项目的核心。加速器如引擎般产生动力,靶站谱仪则对能否产生需要的中子及中子散射实验起到至关重要的作用。

  快循环同步加速器:在这里,负氢离子经过剥离膜转换为质子,质子束积累到足够流强后被进一步加速,达到16亿电子伏特的能量后引出,打向钨靶。

  加速器设计: 巧妙组合 预留五倍升级空间

  中国科学院高能物理研究所东莞分部副主任王生对记者表示,就像对卡车要求承重和安全,而对跑车要求速度一样,散裂中子源的加速器是强流质子加速器,要满足特殊需求:高功率,打靶的功率要高,同时要求束流损失最少。设计上采用倒推方法,根据最后的束流指标、时间结构、功率反推同步加速器、直线加速器的设计指标。这是一个复杂却精密的过程,仅加速器就由近万个设备组合而成,参与设计的团队超过150人,涉及十多个专业。

  中国散裂中子源的质子束流功率为100kW(千瓦),束流功率指标和目前世界上的最高功率的散裂中子源还有一定的差距,这是经过各种权衡后确定设计。同时,经过精心和巧妙地设计,利用很小的代价,保留了升级到500kW束流功率的能力,在设计阶段预留五倍的束流功率升级空间也比较少见。

  先进散裂中子源的加速器构成,通常采用两种加速器组合,一种是全能量的直线加速器加累积环的方案,如美国的散裂中子源 SNS;一种是采用较低能量的直线加速器后接快循环质子加速器的方案。对中国散裂中子源这样的束流功率为百千瓦量级的装置,后一种加速器方案比前一种造价更低,并且易于保留未来的束流功率升级的能力。因此,作为中国的第一台散裂中子源,采用了最先进的强流加速器的设计理念,低能直线加速器加快循环高能同步加速器的加速器方案,即能满足目前的国内的中子散射研究的需要,也保留了未来进一步提升束流功率的能力。

  打靶束流功率和单位时间内的打靶次数成正比,单位时间内打靶的次数越多,则打靶的束流功率越高。普通的同步加速器的循环周期在几秒到分钟量级,而中国散裂中子源的同步加速器的循环周期是40毫秒,即每秒钟提供25次打靶束流,因此称之为快循环。

  快循环带来了诸多技术挑战。很多在普通同步加速器上成熟的技术,在快循环同步加速器上都变成了需要攻克的技术难题。比如,在快循环状态下交流运行,浇铸的叠片铁芯散片、线圈环氧开裂等正常情况下不会出现的问题,都出现了。据王生介绍,从预研阶段开始,花了近六年的时间,通过课题组和工厂的密切合作,从环氧的配方,到每一个工艺细节,都进行了细致反复的实验和探索,在经历了多次失败后,最终解决了所有问题。

  靶站设计: 优化设计为获得更多中子数量

  加速器让质子获得高能量输入到靶站,而最终产生适合谱仪的中子数量和质量还需要靶站的优化设计,中国科学院高能物理研究所东莞分部副主任梁天骄对记者表示。事实上,地球上的万物在微观上由质子、中子和电子构成,中子贡献了近一半的质量,不过这些中子被强相互作用力约束在原子核中,散裂中子源靶站产生的是自由的中子。

  中子的能量范围很宽,速度越快能量越大,自然界存在的中子能量范围是从几个meV(毫电子伏特)到超过GeV。中子具有波粒二象性,1eV的中子对应的波长是0.286埃,10meV的中子对应波长就是2.86埃,能量越低对应的波长越长。散裂中子源主要用到的中子是在1eV以下能量的中子,对应的波长从约0.3埃到十几埃甚至更长,而这与要研究对象的物质微观结构尺度相当,比如钻石,其晶体结构中碳原子和碳原子的间距约1.5埃,要观察这个间距的微观结构,就要用波长和间距差不多的中子。

  如何能产生能量速度与谱仪需求相匹配的中子,就需要通过靶站。靶站由靶体、慢化器、反射体及屏蔽等组成。通过加速器获得的高能质子沿质子束道进入靶站,射入重金属靶体,入射质子可与原子核内的单个质子或中子发生级联碰撞,将部分能量转移给被碰撞的中子和质子,增加它们的动能,从而被轰击出来,发生级联碰撞后的原子核温度升高,部分原子核内的中子就会“沸腾”起来,并脱离原子核的束缚发射出来,同时,在级联过程中轰出的能量较高的中子和质子,还可以继续打中其他原子核,产生更多的中子,这个过程就被称为散裂反应,这也是散裂中子源名称的来源。散裂反应产生的快中子飞向各个方向,能量较高,必须经过慢化器的慢化才能供实验所用。就好像打台球一样,通过碰撞让自身速度慢下来,因此慢化器的设计非常关键。

  梁天骄表示,在设计过程中为了获得更多满足条件的中子,进行了大量的靶-慢化器-反射体紧凑耦合的物理、工程设计和优化以及工艺探索,比如慢化器的构型和引出结构优化等。

  应用前景 为改进和优化汽车锂电池提供支持

  中子具有穿透力强、对轻的元素敏感、可研究磁性等特点。散裂中子源为众多学科前沿领域的研究提供了一种先进、不可替代的研究工具。它就像一台超级显微镜,研究诸如新材料、DNA、聚合物等的结构,揭开这大千世界的神秘面纱。

  据介绍,中国散裂中子源靶站可为20条谱仪提供束流,一期已建设三台谱仪。例如,可以用于研究发现储能密度更高的新锂电池材料,也可实时原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分性能的变化,为改进和优化锂电池提供关键数据。

  CSNS近期还将建设更多的谱仪,包括大气中子谱仪、高压谱仪、应力谱仪、中子照相等。大气中子谱仪可用于电子器件和电子系统的大气中子辐照效应研究,用于航空电控系统、地面高可靠电子设备等研发的高能量中子的加速测试,一百年的自然辐照过程在该谱仪上一分钟就可能完成了。高压谱仪可以研究,可燃冰是在什么条件下形成的,模拟可燃冰的形成条件,让穿透性很强的中子进去,加载不同的压力条件观察其变化。应力谱仪可以用于研究轮轨和机翼的残余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。

  CSNS的研究人员也正利用散裂中子源建造中形成的技术进行技术转化,研发新型的硼中子俘获治疗癌症设备。

  来源:《广州日报》2018年07月16日

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


 
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