日前，位于廣東東莞的國(guó)家大科學(xué)工程——中國(guó)散裂中子源（CSNS）首次打靶成功，獲得中子束流，這標(biāo)志著CSNS主體工程順利完工，進(jìn)入試運(yùn)行階段。散裂中子源是什么？長(zhǎng)啥樣？又有啥用？安全嗎？人民日?qǐng)?bào)客戶端記者采訪了相關(guān)專家為您一一揭曉。
直線加速器
是什么？就像一臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”
1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們開始認(rèn)識(shí)到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。
由于中子不帶電，具有磁矩，且穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一，和x射線一樣，是多學(xué)科研究中探測(cè)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)有力手段。
中國(guó)散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生說(shuō)：“當(dāng)一束中子入射到研究樣品上時(shí)，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過(guò)測(cè)量散射的中子能量和動(dòng)量的變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，告訴人們?cè)雍头肿拥奈恢眉捌溥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種研究手段就叫中子散射技術(shù)?！?/font>
快循環(huán)同步加速器
陳和生進(jìn)一步解釋說(shuō)：“做一個(gè)較為形象的比喻，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網(wǎng)而過(guò)，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄下來(lái)，就能大致推測(cè)出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來(lái)，甚至推斷其材質(zhì)?！?/font>
然而，人類要進(jìn)行中子散射的研究，要用中子做探針，去開展各種各樣的研究，就必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉?，先進(jìn)的中子源是中子科學(xué)研究的基礎(chǔ)。因此，如何能獲得產(chǎn)生高通量中子的中子源，一直是科學(xué)家不斷努力追求的目標(biāo)。
高通量的中子源包括反應(yīng)堆中子源和散裂中子源。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大的作用。但由于反應(yīng)堆散熱技術(shù)的限制，反應(yīng)堆中子通量在上世紀(jì)六、七十年代就達(dá)到了飽和。隨著科技的進(jìn)步，相應(yīng)的研究體系如薄膜、納米團(tuán)簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等，尺度分布更大，獲得數(shù)量在克量級(jí)的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測(cè)量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生。
“它是用來(lái)自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應(yīng)，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流，中子慢化后與樣品發(fā)生散射，最后由中子散射譜儀接收，我們科研人員就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測(cè)物體的微觀特征。通俗一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，散裂中子源就像一臺(tái)‘超級(jí)顯微鏡’一樣，可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)?！标惡蜕f(shuō)。
中國(guó)散裂中子源園區(qū)鳥瞰圖
長(zhǎng)啥樣？異常龐大，建在13米到18米的地下
由于散裂中子源的這些獨(dú)特的性能，以及國(guó)際社會(huì)對(duì)安全評(píng)估要求越來(lái)越嚴(yán)，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍利用散裂中子源進(jìn)行中子散射研究。目前，世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源主要有英國(guó)的ISIS、美國(guó)的SNS 和日本的J-PARC。中國(guó)散裂中子源（CSNS）建成后將成為發(fā)展中國(guó)家的第一臺(tái)散裂中子源，躋身世界四大脈沖散裂中子源行列，從而大幅提升中國(guó)基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平。
雖然中子是如此微小，但產(chǎn)生強(qiáng)中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。
記者在現(xiàn)場(chǎng)看到，CSNS隧道內(nèi)裝置建在13米到18米的地下。主要建設(shè)內(nèi)容包括1臺(tái)束流能量為80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái)束流能量為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運(yùn)線、1個(gè)靶站和3臺(tái)譜儀，以及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程。
陳和生說(shuō)：“CSNS一期工程中子譜儀數(shù)量為3臺(tái)，將來(lái)最多可建到20臺(tái)。目前束流功率為100kW，我們還預(yù)留了進(jìn)一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升級(jí)空間。”
首批建設(shè)的3臺(tái)譜儀為通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀。
“通用粉末衍射儀主要用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)；多功能反射儀通過(guò)分析來(lái)自樣品的反射中子，研究物質(zhì)的表面和界面結(jié)構(gòu)；小角散射譜儀用于探測(cè)物質(zhì)體系在1—100納米尺度內(nèi)的微觀和介觀結(jié)構(gòu)?！标惡蜕f(shuō)。
中國(guó)散裂中子源園區(qū)環(huán)設(shè)備樓航拍圖
有啥用？多學(xué)科研究新平臺(tái)
散裂中子源可以產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子，并通過(guò)測(cè)量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過(guò)程，探測(cè)樣品原子核的位置和運(yùn)動(dòng)狀況，因此，在材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景。
對(duì)此，陳和生首先舉了個(gè)例子。“1998年6月，德國(guó)一輛城際快車意外出軌，最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國(guó)散裂中子源上檢測(cè)的，發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕?！?/font>
事實(shí)上，無(wú)論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機(jī)使用壽命和安全性。但是，這個(gè)應(yīng)力看不到、摸不著，對(duì)它的研究成了避免類似災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上測(cè)量研究輪軌和機(jī)翼的剩余應(yīng)力，優(yōu)化機(jī)械加工工藝，使高鐵和飛機(jī)變得更安全舒適。
陳和生說(shuō)：“此外，散裂中子源技術(shù)在生物、生命、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域也發(fā)揮著X射線無(wú)法替代的作用，并與同步輻射光源互為補(bǔ)充，成為基礎(chǔ)科學(xué)研究和新材料研發(fā)的最重要平臺(tái)之一。例如，散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究，已在許多發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用。還有，在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來(lái)研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件，其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)?！?/font>
另外， CSNS裝置的建設(shè)也將大大加強(qiáng)國(guó)內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的國(guó)際交流和合作，為我國(guó)的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國(guó)際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供良好的機(jī)遇。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所黨委書記孫牧說(shuō)：“CSNS建設(shè)過(guò)程中，質(zhì)子加速器、靶站、中子譜儀的建設(shè)，都涉及大量具有戰(zhàn)略意義的高技術(shù)，這些技術(shù)難關(guān)等待中國(guó)最高水平的科研力量攜手攻克。所以，該項(xiàng)目的建設(shè)將吸引大批世界級(jí)的科學(xué)家到東莞進(jìn)行科研活動(dòng)，建成后將吸引國(guó)內(nèi)外逾600名專家學(xué)者匯聚東莞搞研究?！?/font>
中國(guó)散裂中子源園區(qū)靶站設(shè)備樓航拍圖
安全嗎？在附近居住一年輻射量?jī)H相當(dāng)于乘一次飛機(jī)
如此龐大的科學(xué)裝置，它的安全性如何呢？會(huì)不會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生污染？
陳和生說(shuō)：“ CSNS基于新一代加速器，不需要核材料，其動(dòng)力來(lái)自電能，輻射嚴(yán)格控制在環(huán)保安全范圍。我們做過(guò)測(cè)算，在散裂中子源附近居住1年，居民受到的輻射量?jī)H相當(dāng)于乘1次長(zhǎng)途飛機(jī)”。
據(jù)介紹，CSNS附近建有監(jiān)控站，隨時(shí)監(jiān)控輻射情況?！渡⒘阎凶釉错?xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》也提出了事故應(yīng)急預(yù)案。由于散裂中子源是射線裝置，只要斷電停機(jī)，中子源產(chǎn)生的主要輻射立即消失。
另外，散裂中子源與反應(yīng)堆類的核裝置完全不同，不需要核原料，沒有鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，加速器運(yùn)行時(shí)會(huì)有少量的粒子丟失而產(chǎn)生次級(jí)粒子，如：χ射線，γ射線和中子等，它們都具有放射性，通稱為瞬時(shí)輻射。
“這些放射性物質(zhì)，比反應(yīng)堆中子源低5－6個(gè)量級(jí)，對(duì)環(huán)境的影響要小得多，而且這些放射性物質(zhì)將存放在國(guó)家指定的廢物庫(kù)中?！敝袊?guó)散裂中子源工程副經(jīng)理陳元柏說(shuō)。
只要加速器一停機(jī)，造成環(huán)境影響的主要輻射源即消失，可以說(shuō)像水龍頭一樣安全可靠。加速器是通過(guò)電子器件自動(dòng)控制起停的，一旦出現(xiàn)故障，可以在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉加速器。倘若發(fā)生地震等自然災(zāi)害，散裂中子源機(jī)器便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，輻射場(chǎng)即消失?？傊?，經(jīng)反復(fù)論證研究，散裂中子源是一臺(tái)比較清潔的射線裝置。”陳和生說(shuō)。
附件下載：
