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中国散裂中子源有什么用?你想了解的都在这儿了

『北京壹网摘要_中国散裂中子源有什么用?你想了解的都在这儿了』经授权转载自“网易新闻” 对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过...


经授权转载自“网易新闻”

对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过一台台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,它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

上学时,相信许多人都使用过光学显微镜,通过它我们第一次看到了肉眼无法直接观察到的细胞和细菌等微观世界。

但可能很多人不知道,在广东省东莞市大朗镇水平村一片荔枝林的山沟里,中国就建了一个“超级显微镜”,它的名字叫散裂中子源。为了建成这个大块头的“显微镜”,国家批复投资18.8亿元人民币。

那么,散裂中子源究竟是什么?它到底有什么用?中国为什么要花大力气去建设它呢?

中国散裂中子源有什么用?你想了解的都在这儿了

中国散裂中子源鸟瞰图(由中科院物理所王芳卫研究员提供)

(一)这个“超级显微镜”可不一般,靠中子打开微观世界大门

对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过一台台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,它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

我们都知道,物质是由分子和原子组成的,原子内部有原子核,原子核又包含了中子和质子。散裂中子源,顾名思义,就是用散裂方式产生中子的一种源,我们可以用“中子工厂”来形容它。

中子散裂的过程有点儿像打台球。

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其基本原理就是通过加速器将质子加速到高能(一般为GeV量级),然后轰击重金属(如钨、汞等)靶,把金属的原子核打碎,原子核在退激时蒸发/裂变的过程产生MeV量级的中子,再经过慢化器将中子慢化到eV量级甚至更低能量输出。

就像打台球是一杆一杆地戳,加速的质子束也是脉冲形式的,散裂中子源产生的中子束流也便具有脉冲时间结构。

散裂中子源输出的中子束可是有大用途。

我们知道,中子和质子的质量基本相当,但中子爱走中性路线,它不带电,但有一定的磁矩,就像一个小磁针。如果将一束中子打入材料内部,会发生什么情况呢?

简单来说,会有两类过程。

因为中子不带电,电子和质子的电荷将无法阻碍中子前进的步伐,它将会直捣原子的黄龙——原子核并与之发生相互作用,这便是中子的核散射。

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利用中子散射探测材料中的原子排布结构(由英国卢瑟福-阿普尔顿实验室提供)

另一方面,中子具有磁性,如果原子本身具有磁矩,那么中子和原子这两个小磁针相遇就会产生磁性相互作用,这就是中子的磁散射。

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利用中子散射探测材料中的自旋相互作用(由英国卢瑟福-阿普尔顿实验室提供)

由于核散射和磁散射同时存在,中子成为材料探测的“双面手”,既能研究原子核“在哪里”或“干什么”,也能研究磁矩“在哪里”或“干什么”。

“在哪里”的意思就是能够分辨原子/磁矩的在空间上的具体位置,给出它们的微观排布结构,这是决定材料一切性质的基础;“干什么”的意思就是能够测量原子/磁矩之间的“互动模式”,这是材料的宏观物理性质的来源。

静态结构和动态作用全包圆,这就是中子探测手段最独特最有用的地方。

(二)相比其他微观探测手段,散裂中子源优势多多

对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过一台台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,它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

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中子散射技术的各种应用

相比其他微观探测手段,如X射线散射、电子衍射、红外光谱等,中子散射同样具有得天独厚的优势。

比如X射线散射主要是电子造成的,因此对含电子数目越多的原子越敏感,但欲探测如氢原子等轻元素就极其困难了。中子散射则对同位素具有选择性,其中氢元素的散射最厉害,也最敏感。因此,研究含有大量氢原子的生物大分子,中子散射具有更佳的优势。

电子衍射因为受到电荷相互作用的影响,往往穿透能力有限,需要将测量样品减成薄片,且三维测量精度有一定限制。中子的穿透能力极强,一般来说可以体穿透样品,因此往往不用担心材料的厚度问题。

光谱测量同样可以给出材料中各种相互作用的信息,但很多情况需要根据理论模型拟合来间接推断。中子散射则反映了材料中的直接相互作用信息,最为简单有效。因为中子的强烈穿透能力,它的测量基本上是无损测量,而且对样品表面不敏感,制样相对简单。

在中子入射下,某些金属材料如铝几乎完全透明,因此在中子实验中,可将测量样品置于低温、高温、高压、磁场、应力、电场等各种环境,充分测试样品对外界环境的响应。

简单利用中子穿透能力和大尺寸束流,还可以给文物、生物或者精密设备拍照,从而无损地观测到其内部情况,进行考古和其他相关科学研究。

比如你可以用中子照相方法观测一滴水是如何从一株植物的根部输运到枝叶上的。

可以说,中子散射是物理、化学、生物、材料等多学科研究的神兵利器。

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中国散裂中子源靶心全貌

在中子入射下,某些金属材料如铝几乎完全透明,因此在中子散射实验中,可将测量样品置于低温、高温、高压、磁场、应力、电场等各种环境,充分测试样品对外界环境的响应。

(三)治疗癌症、检测飞机高铁安全性都离不开它

对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过一台台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,它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

说了这么多,这对于普通人有什么用呢?别说,用处大着呢。

散裂中子源除了用于科学研究外,其产生的中子还能用来治疗癌症。

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在癌症治疗中有一种方法叫硼中子俘获疗法。具体地,就是先给癌症患者注射一种含硼(硼-10)的无毒药物,利用它与癌细胞之间很强的亲和力,这种药物会迅速聚集于癌细胞内,而其他正常细胞内聚集的却极少。

当药物在癌细胞内“潜伏”妥当之后,利用加速器提供的中子,产生超热中子束照射肿瘤部位,中子就会被癌细胞内的硼所俘获,并在癌细胞内发生很强的核反应,释放出杀伤力极强的射线。

这种射线射程很短,只有一个细胞的长度,所以它只杀死癌细胞,而癌细胞周围的正常组织则不会受到损伤。

散裂中子源对于普通人来说另外一个重要的应用,就是它对于飞机、高铁等交通工具的零部件安全性检测的能力。

无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼,里面都有应力,它决定了高铁和飞机的使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免灾难发生的关键。

现在,科学家已经可以在散裂中子源上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。

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散裂中子源的直线加速器

(四)产生中子并不容易,未来中子散射研究中心在中国

对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过一台台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,它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

尽管中子散射功能非常强大,但产生中子还是相当困难的。

通常大量产生中子只有两种办法:核反应堆和散裂中子源。无论是哪个,都要付出极高的建造成本和精密科技,运行和维护也需要巨大的代价。

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中国散裂中子源鸟瞰图

因此,一般来说中子源这类大型科学装置都是由国家投资建设并运行维护的,而且中子源上的各种中子谱仪通常都是免费向全世界用户开放,让全世界最优秀的科学家在其上开展最前沿的科学实验,发挥最大的功效。

目前世界上开放的中子源约有20个左右,但是现役脉冲式散裂中子源仅有3个,即美国、日本和英国散裂中子源。

2017年8月28日10点56分18秒,中国散裂中子源成功产生出第一束中子,标志着世界第四大脉冲式散裂中子源——中国散裂中子源顺利完成初步建设,中国人从此拥有了属于自己的散裂中子源。

未来数年里,欧美一些早期建设的反应堆中子源将会陆续退役关闭,新建设的中国散裂中子源和欧洲散裂中子源,将逐渐成为国际中子散射研究的中心。

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英国散裂中子源模型

(五)结语

对于科学家来说,散裂中子源就像一个神奇的中子工厂,通过一台台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,它能用来治疗癌症和检测飞机、高铁的安全性。

中国散裂中子源项目从立项到初步建成,耗费了八九年,项目预计总投资23亿元人民币,是名副其实的大科学工程。

目前散裂中子源一期谱仪配备了粉末衍射谱仪、小角散射谱仪和应力谱仪等三台用户量最多的谱仪。接下来,在中国科学家集体努力推动下,中国散裂中子源还将不断建设新的谱仪,为推动中子散射研究在中国的发展添上一把火!

编辑| 史文慧

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