散裂中子源装置会带领我们找到更多的高分子新型材料和超导材料

启航新征程|中国散裂中子源打靶功率未来将提升到500千瓦

东莞时间网

2021/04/21 19:39

“产生中子的方式主要有两种，第一种是原子核的裂变反应，第二种就是中国散裂中子源用的方式，用高能质子去轰击原子核，把原子核中的中子打出来，这种方式产生中子的效率要比核反应高……”中国科学院高能物理研究所东莞研究部副主任金大鹏解释。

近日，沿着高速看中国（广东）主题采访活动走进位于东莞松山湖的中国散裂中子源，加速、打靶、反推……媒体记者们被物质微观结构所吸引。

散裂中子源装置就像“超级显微镜”

“物质到原子和分子的尺度，普通光学的办法是看不到的，散裂中子源装置就像“超级显微镜”，类似于是放大探测，是研究物质材料微观结构的理想探针。” 金大鹏解释。

中国散裂中子源是各种高、精、尖设备组成的整体。建设内容包括一台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，以及供科学实验用的中子散射谱仪。

金大鹏向大家介绍了中国散裂中子源的工作原理。简单来说，是先将氢气电离成氢原子，把带负电的电子附着在氢原子上，就成为负氢离子，经过加速穿过剥离膜，两个核外电子被剥离掉，就变成了质子。在此基础上，对质子进行加速，将能量从8000万电子伏特增加到16亿电子伏特，速度相当于0.9倍光速，用质子束去轰击原子序数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子，通过特殊的装置“收集”中子，开展各种实验。

“中子束打到被研究的样品上，有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用，其运动方向也会发生改变，向四周‘散射’开来。” 金大鹏解释，散射出来的中子被探测器探测到，科研人员根据探测器上中子散射的轨迹及其能量和动量的变化，就可以精确地反推出物质的结构。

世界第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家

2018年8月23日，中国散裂中子源按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务，其成功建设也使我国成为继英国、美国和日本之后，全世界第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。

中国散裂中子源通过自主创新和集成创新，在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果，显著提升了我国在高功率散裂靶、磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业的技术水平和自主创新能力，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。

在中国散裂中子源，记者看到，工作人员现场正在安装11号谱仪，预计该谱仪今年下半年可以建成，主要用来检测高精尖的航空航天电子芯片。

中国科学院高能物理研究所东莞研究部中子科学部副主任张俊荣介绍，中子从出发到实验终端，最长谱仪接近100米，整个路径平整度要求非常高，误差不能大于头发丝，否则就会影响到中子束流的品质。

张俊荣指着一台运行中的谱仪说，这台主要是研究晶体的微观结构，包括锂电池、可燃冰、发动机叶片、高强度合金材料等。

“每种不同颜色束线代表着一台不同的谱仪，散裂中子源谱仪是面向科学应用建设的，我们不是研究中子本身，而是利用产生的中子去研究材料，用户的样品在谱仪终端放置，中子束引出来后与样品碰撞，然后去分析物质内部结构。” 张俊荣介绍。

中国散裂中子源目前正式运行的有三台谱仪。今年1月，散裂中子源科学中心、东莞理工学院、香港城市大学共同建设的国内首台中子全散射谱仪安装成功。此外，还有5台合作谱仪正在加紧建设当中。

未来谱仪数量将扩建到20台左右

中国散裂中子源进入正式运行阶段以来，装置运行稳定可靠，加速器质子束流打靶功率提高到100千瓦，提前一年半达到设计指标；用户申请非常踊跃，通过多轮开放运行，共完成国内外科研与产业界的课题400多个。

开展实验以来，中国散裂中子源成果明显，如新型纳米材料、钢材研究、纠正芯片工艺错误等。

未来，中国散裂中子源会将打靶功率提升到500千瓦。“由于我国是第一次设计散裂中子源，所以采取分步策略，第一步先设计100千瓦的打靶功率，但是保留了提高到500千瓦的能力，未来打靶功率提升到500千瓦，实验能力也将得到大幅的提高。”金大鹏说。

金大鹏介绍，目前中国散裂中子源3台谱仪做实验远远不够，每年实验只能批准两三成，未来谱仪的数量将增加到20台左右。

中国散裂中子源将着力确保装置高效、稳定、可靠运行，加强国内外开放共享；同时为了满足交叉学科前沿研究和国家发展战略的迫切需求，将不断完善和改进装置性能，扩大用户群体，为我国产生高水平的科研成果提供有力支撑，助推粤港澳大湾区国际科技创新中心的发展和产业升级。

文字：范德全

内容来自UC