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散裂中子源
文汇报:又一架“超级显微镜”
2011-11-22|文章来源:文汇报 许琦敏 |【
 

  想象一下,在你的面前有一张看不见的网,然后让你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,你就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质,就不是什么难事。

  在物质的微观世界,科学家找到了这种“玻璃弹珠”——中子。在中子面前,原子搭建起来的物质结构,就好像一张立体大网。科学家打出一串串中子,通过测量被“原子立体网”散射出来的中子能量和动量的变化,就能获取在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律。这就是中子散射。

  为了制造出科学家所需要的中子“玻璃弹珠”,一种名叫散裂中子源的大科学装置正日益受到科学界的重视。目前,世界上已有三台脉冲式散裂中子源,分别位于美国、日本和英国。今年10月,中国散裂中子源(CSNS)在广东东莞大朗镇奠基开建。总投资16.7亿元,建设周期78个月。CSNS建成后,将与现有的三台散裂中子源相并列,成为世界四大主要脉冲散裂中子源科学中心之一,并且将成为位于发展中国家第一台散裂中子源,每年可接待上千名研究人员在不同的谱仪上展开研究。

  中子散射究竟有什么能耐?散裂中子源能做些什么?本报记者就此采访了中科院高能物理研究所、散裂中子源工程经理部的专家。

  同步辐射的“姐妹花”

  宇宙中,中子含量十分丰富,几乎占到可见物质的一半,是原子核的重要组成部分。原子核由质子和中子构成,质子带正电荷,中子不带电,但质量比质子稍大。1932年,英国实验物理学家查德威克证实了中子的存在。

  后来,科学家发现,中子和光一样,具有波粒二象性,即它既是一种波,也是一种粒子。中子的波长尺度在1-10个埃(100亿分之一米),这个尺度恰好是晶格、生物大分子的尺度。物理学有一个定理:利用光能分辨的最小物体,与光的波长相近。那么中子的波长就能够看清晶体和生物大分子的微观结构,甚至可以定位每个原子的位置,也能探测到微观物质的静态及其动态特性。

  它怎么做到的?一束光就是一串光子的束流,照到物体上后,光会发生散射和衍射。同样,如果打出一束中子束流,遇到物体后,大多数中子会没有阻碍地穿过物体,但有的中子将直接与原子核发生相互作用,沿着某个角度散开,这就是中子散射。

  CSNS工程部总经理、中科院院士陈和生介绍,通过测量散射出来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、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。

  说到这里,不禁让人想起了同步辐射光。这种亮度比X光高出万倍的神奇光源,也被用来解析蛋白质大分子的结构、洞察各种材料的微观结构。它与中子散射有区别吗?陈和生院士说,同步辐射和中子散射好比现代微观物质探测中的一对“姐妹花”,各有优势,优势互补。

  当电子以接近光速运动、轨道发生弯转时,会沿切线方向抛出电磁辐射,就像转动的伞面上甩出的水珠——这便是同步辐射光。从本质上说,它是一种高亮度的X射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,因此原子的外围电子越多,它就看得越清晰,探测较重的原子,如稀土元素、铂、金等,是它的强项,但若遇上外围电子稀少的轻元素,如氢、氦、碳等,同步辐射探测起来就力有未逮了。

  而这恰恰是中子散射所擅长的。中子对氢原子很敏感,能够精确地测得分子结构中氢原子位置。同样,它对精确定位碳、氧,也十分得心应手。要知道,氢、碳、氧对于生命大分子来说,就像砖块之于房子,对这些元素的精确定位,能让生命科学家更清晰、深入地认识生命的构成。

  不可缺席的大科学装置

  科学家从哪儿获得需要的中子束流呢?那就得找中子源了。

  在自然界中存在天然中子源,如宇宙射线中的高能粒子与大气分子作用后,就会产生中子。但天然中子源的中子强度太低,无法用于中子散射的科学研究。所以,要获得适当强度的中子源,就得发展人工中子源。

  人工中子源的发展,主要经历了放射性核素中子源、反应堆中子源、散裂中子源三个阶段。由于放射性核素所产生的中子源于自发裂变,中子能谱窄、效率低,很快被淘汰。反应堆中子源则利用核裂变链式反应来产生中子,是一种稳定连续的中子源。中国原子能研究院新近建成的“中国先进研究堆(CARR)”就是专门提供中子、开展中子散射研究的反应堆。

  有没有更好的办法呢?有,散裂中子源。当高能质子打击重原子核时,重原子核里的一些中子就会因被击或被“挤”而“剥离”出来,这个过程被称为散裂反应。打个比方,重原子核就像一个装满网球的桶(里面差不多一半是质子,一半是中子),然后把另一个网球用力投入桶中,桶里的一些球就会立刻蹦出筐外,而更多的球会弹跳并翻出筐外。每个与原子核作用的质子能轰出20-30个中子。

  与前两者相比,散裂中子源有着独特的优势。首先,它所产生的超强短脉冲中子束,包含了不同能量的中子,高能中子飞得快,能量越低,速度越慢。因此,人们可以方便地采用飞行时间技术,去利用某一个波段范围内的全部中子,有利于进行实时分析和研究更加广泛的科学问题。

  散裂中子源产生的脉冲中子的流强比从反应堆获得的高50-100倍;散裂中子源能在较小体积内产生出较高的脉冲中子通量,能提供更宽广的中子能谱;与反应堆相比,它不使用核燃料,不属于核装置,所产生的辐射非常低,在装置附近工作一年所受到的辐射剂量,不过相当于照一次胸片;存在磁散射、具有高穿透性、能区分同位素、能精确定位氢原子的位置……故而,它成为各国科学家热捧的对象,也在情理之中了。

  早在1986年,英国就在卢瑟福实验室建起了散裂中子源(ISIS)。25年来,该实验室取得了大量成果,并于2009年进行了扩建。目前,该实验室共有27台谱仪,每年接待用户超过2000人,发表论文超过400篇。

  2006年,美国橡树岭国家实验室耗资14亿美元建造的散裂中子源,打出了第一束中子脉冲。其设计功率为1兆瓦,目前稳定运行在800千瓦左右,可靠性高达92%,是迄今世界上最亮的脉冲源。目前对用户开放的谱仪有18台,后续还有5台在建。

  日本的散裂中子源JPARC造价最为昂贵,耗资17亿美元,运行功率已达到300千瓦,有10台谱仪对用户开放。不过,它自2008年投入使用后,用户增长非常迅速。如今,日本已在酝酿建设下一台散裂中子源——能量将高达2兆瓦。

  作为一个大科学装置,散裂中子源有如一个巨大的磁场,把科学家吸引到它的身边工作、交流,形成一个巨大的“科学漩涡”,不断翻滚出创新的浪花。英国的散裂中子源与第三代同步辐射装置钻石光源一起,成为英国最重要的高科技园区核心;而美国依靠中子源,建立起了纳米材料科学中心。中国散裂中子源尽管刚奠基不久,但以其为核心的一个核科技园区已在规划中。

  揭秘我国散裂中子源

  中国有三台同步辐射装置,但中国散裂中子源没有选址在它们旁边。它没与任何一个已有的大科学装置为邻,而是远赴华南,成为落户于我国华南地区的第一个大科学装置。

  陈和生院士说,他们从谷歌地图上,找到了这块“宝地”。广东省东莞市大朗镇是出了名的荔枝之乡,而这里的地质条件适合建造散裂中子源,同时东莞的经济实力也为支撑整个大科学装置的建造和运行提供了保障。“在16.7亿元的建造经费中,国家出资11亿,其他经费由中科院与广东省共同筹措解决。”他说,广东省不仅提供了1000亩装置用地,还提供了50亩住宅用地,以及5亿元的园区配套建设经费。“装置投入运行的头3年,广东省还每年支持5000万的运行经费补贴。”此外,地方政府还修建了一条专用道路,方便运输各种设备,以及花费5000万元,为大装置建造了专用变电站。

  东莞市政府拿出了一大块地,来做一个“不带来任何直接GDP”的基础科学装置,确有战略眼光:尽管机会成本高达15个亿,但这个国家级科学大装置的落地,将极大提升当地的“几乎为零”的科研能级,带动高层次人才集聚,为当地产业转型,带来巨大推动力。

  CSNS真有这么大的威力?没错,让我们好好来看看这台装置。根据设计,中国散裂中子源项目主要建设1台8000万电子伏特(MeV)负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特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。

  让我们来看一下,它是如何产生中子的。首先,一股负氢离子束流从负氢离子源中奔涌而出,通过射频四极加速器后,被聚集成一束漂亮而整齐的粒子流,再由漂移管直线加速器将能量提升到8000万电子伏特。此时,负氢离子要经过一个剥离过程,将所带的电子剥去,只剩下一个光秃秃的质子。当进入快循环同步加速器时,负氢离子束流已变成了质子束流,在这里它们将被加速到16亿电子伏特。从这里出来后,质子流就会经传输线打向金属钨制的靶子——于是,中子就从钨靶中散裂而出。这些宝贵的中子经过慢化后,再通过中子导管引向谱仪。在谱仪的另一端,科学家正期待着中子们解开科学的谜团。

  有多少科学家期待着这束神奇的中子?根据国内用户调查,CSNS目前已确定的首批用户包括中科院下属的9个研究所的70多个课题组,以及科学院外22所大学和中国原子能科学研究院等科研机构的30多个研究组。

  此外,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都有其潜在用户。

  CSNS在设计时,已预留了进一步发展空间。一期建成时,质子的打靶功率为100千瓦,但日后有需要可升级到500千瓦,最多可同时连接20台谱仪,供科学家实验。一流的实验装置、一流的科学家,再加上广东强劲的经济实力与充分发达的商业氛围,或可拓展出一条产学研结合的新途径。

  (原载于《文汇报》 2011-11-22 12版)


 
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