攻克中國大量難題的“超級顯微鏡”究竟有多厲害

攻克中國大量難題的“超級顯微鏡”究竟有多厲害

出品|本站新聞

導語:不久前,中子衍射譜儀成功出束,標誌着我國已經建成了世界一流的大型中子散射多學科研究平臺。這臺“超級顯微鏡”作爲國家大科學裝置,被用於研究物質的微觀結構,爲我國多學科在國際上取得一流成果提供重要的技術條件。

一、新“探針”:探索物質微觀結構

X射線主要與原子外圍的電子發生相互作用,但有可能導致電子的電離,破壞物質本身;而中子不帶電、穿透性強,且不會破壞物質,它直接與物質的原子核相互作用,這使得中子成爲了研究微觀結構的理想媒介。與X射線不同,中子在探索物質微觀結構上有着一定的優勢。

中子的來源主要依靠散裂反應,主動製造和控制中子。離子源中產生的離子利用質子加速器產生高能質子束,轟擊重原子(例如鈾或鎢)的原子核,通常每個重原子核能轟擊出20-30個快中子,這樣的反應能夠形成可用於探測規模的中子束。

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基於上述的理論框架,我國的散裂中子源項目主要包括一臺負氫離子直線加速器、一臺快循環同步加速器、一個靶站和若干臺中子譜儀設備。

離子源中產生的離子束經過初步的聚束和加速後,將剝離後的離子注入環形的快循環同步加速器中,使用環形加速器既可以一圈圈加速大大減小加速器的體積,又可以通過圈數逐級地控制質子束能量。在經過充分的諧振加速後,最終將功率爲100kW的質子束流打向鎢靶,從而形成散裂後的大量快中子,經過慢化後被引向不同的中子譜儀進行研究。

利用這樣的設備和思路,散裂中子源形成的中子通量(單位時間內的中子量)已經超出了傳統反應堆中子源(依靠核反應堆提供中子)一個量級,並具備相當程度的可調性,這對微觀結構的成像效果有着很大意義。

二、系統集成:水平世界領先

“超級顯微鏡”總共佔地約7萬平方米,目前的束流功率爲100kW,並將在第二期提升至500kW,束流功率超越了世界上其他的散裂中子源。打靶質子束能量最高增加至1.6GeV,重複頻率25Hz。整套系統總共預留了二十個孔道用於試驗。

相比反應堆中子源,散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣。10^0-10^7eV寬廣能區的中子(指標與美、日、英的散裂中子源類似)大大地擴展了中子科學研究的範圍。

散裂中子源同時具備很強的可拓展性,它的能力隨着不斷集成不同的科學載荷慢慢提升,仍然具備極大的發展潛力。在最初數臺譜儀的基礎上,散裂中子源工程將在二期利用完所有的孔道,總共配備二十臺譜儀,針對不同任務進一步提供多空間尺度、多能量範圍、多學科研究的表徵手段。

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此次測試的能量分辨中子成像譜儀(ERNI)超越了常規的中子照相,更精細地探測和成像晶體內部的三維結構,尤其是對物質深層做探測,適用於複雜結構件的應力測量分析做無損檢測和使用壽命估計。在未來,隨着孔道逐漸飽和,散裂中子源將在原本結構的基礎上,添加第二靶站及其相應的孔道,繼續提升探測能力。

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散裂中子源產生的放射性物質總量約爲反應堆中子源的十萬分之一,幾乎不產生輻射。實驗室核心結構由超高密度混凝土覆蓋,密度高達3600千克/立方米,這種材料主要由重晶骨料、硼玻璃粉等材料構成,用於防止中子的逸散,這種特殊材料的使用能夠徹底消除中子輻射對大自然的影響。

三、科技創新:爲多領域發展插上翅膀

作爲科研的“基礎設施”,世界各國都正將建設高性能散裂中子源作爲提升科研能力的重要舉措,紛紛提出了相關的建設計劃,目前只有英、美、日和中國擁有散裂中子源。

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科學家利用中子源探測物質結構,記錄下中子的軌跡和相應的磁矩變化後,可以通過計算推測出物質的結構以及結合點的張力等參數。因此散裂中子源對於每個國家的材料科學、藥學、核科學等領域有着很強的指導意義。

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在材料科學領域,先進軍用發動機的核心渦輪通常使用單晶葉片(在高溫狀態下承受極大應力),而單晶葉片的生長方法需要通過不斷地試錯來獲得,散裂中子源的介入能夠大大加速單晶葉片的研發過程;高鐵車輪亦是對力學性能有很高要求的領域,使用散裂中子源進行成像能夠探知金屬疲勞,有助於預防重大事故。

在醫療領域,基於散裂中子源研發的新型放療手段“硼中子俘獲治療”也已經進入了產業化階段,能夠實現細胞尺度的精準治療。未來,散裂中子源有潛力替代目前的大型核反應堆來提供中子,對醫療的便利性和安全性有所提升。

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在新能源領域,它是新能源電池的研發利器。新能源電池的性能本質上依賴於充放電產生的內部離子反應,解析這個過程能夠極大加速研發,而散裂中子源有力地支持了我國相關產業的發展。未來加工精度和性能更高的固態電池研發更是與該設備息息相關。

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在覈科學領域,散裂中子源對核能開發也有很大的意義。它能夠產生核聚變反應的原料——氚,根據估算,全球氚儲量僅爲3.5千克且實際上無法收集,而一個散裂中子源每年能產生60克氚。核裂變能源的清潔化也是一種發展方向,高能的中子束有可能將核反應堆產生的長壽命放射性同位素轉變爲穩定同位素,減少核廢料帶來的危害。

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結語:

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作爲世界上第四個投入使用的散裂中子源,其主要參數、中子束利用率和可拓展性上達到了國際領先水平。它將助力解決科學瓶頸問題,攻克產業核心技術,成爲國家創新發展的“發動機”。

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