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散裂中子源

2012-03-24  红花绿叶园
散裂中子源
发布时间: 2011-10-27  |  
    散裂中子源可利用中子看物质微观世界,这台“超级显微镜”帮助科学家了解液态晶体、超导陶瓷、蛋白质等各种物质特性,并能孕育一批实用型高新技术。中国散裂中子源项目将成为发展中国家的第一台散裂中子源,并跻身世界四大脉冲式散裂中子源的行列。

资料图片:“萨德伯里”中微子天文台里的中微子探测器

资料图片:“萨德伯里”中微子天文台里的中微子探测器 

1、散裂中子源基本知识解答

2、国际已建散裂中子源项目

3、中国散裂中子源项目

 

    1、散裂中子源ABC解答

    解疑1:什么是散裂中子源

    回应:用中子看物质微观世界的有力工具,好像“超级显微镜”

    由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及具有非破坏性,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。

    它就像一台“超级显微镜”,可研究诸如DNA、蛋白质、飞机材料等结构。通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,可以获取在原子、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。

    解疑2:与其他研究方法有什么区别

    回应:同步辐射和中子散射看到的是物质的不同方面,与反应堆中子源相互补充

    在科研领域,能够产生高亮度X射线的科学装置叫做同步辐射装置,比如位于高能物理所的北京正负电子对撞机和上海光源;而用于中子研究的装置,则包括散裂中子源和反应堆中子源两类,且以前者性能较优。

    同步辐射对重的原子核敏感,中子对轻的原子核更敏感,比如碳、氢、氮等。同步辐射装置和散裂中子源装置都是大型的、多学科交叉的研究平台。从国家科学装置布局的角度来讲,不仅需要同步辐射光源,也需要散裂中子源,二者各有优势,是互补关系。

    解疑3:散裂中子源能干什么

    回应:帮助科学家了解液态晶体、超导陶瓷、蛋白质等各种物质特性,能孕育一批实用型高新技术

    散裂中子源散射的中子束,可帮助科学家了解从液态晶体到超导陶瓷、从蛋白质到塑料、从金属到胶粒等各种物质特性的详细情况,其建设不仅关乎一个国家原始创新能力的提高,过程中还能孕育一大批实用型高新技术。

    散裂中子源科研应用潜力巨大,除开发可燃冰外,还可应用于蛋白结合与膜蛋白通道和功能的中子衍射研究、石油输油管线裂纹成因研究、航天器件辐照效应的地面模拟试验研究、肿瘤的放射性治疗研究等。

    解疑4:散裂中子源安全吗

    回应:散裂中子源是安全的射线装置,不会对环境产生影响

    散裂中子源是一台大型射线装置,产生的辐射主要是瞬发性的,只要加速器一停机,辐射场随即消失,同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。散裂中子源建在地下5米的隧道内,周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射。在屏蔽外,剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射,大约只相当于宇宙射线对人体产生剂量的1/10,并且只要加速器一停机,这种瞬发辐射随即消失,不再对环境造成影响。

    即使是CSNS工作人员,在工作场所工作1年与乘坐飞机1次所接受剂量相当,工作5年也仅与进行1次X射线胸透所接受的剂量相当。此外,散裂中子源还设计有严格的人身安全联锁系统,确保人身、环境安全。

    2、国际正在运行三大散裂中子源

    1、20世纪70年代初,美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LANL)的LAMPF强流质子直线加速器是世界第一台散裂中子源 。

    现状:美国散裂中子源造价14亿美元,设计束流功率1.4兆瓦,目前稳定运行在900千瓦,是世界最亮的脉冲中子源,2006年产生中子,其18台谱仪对用户开放,5台在建,3台正在建议中,还依托散裂中子源建立纳米材料科学中心。

    2、20世纪80年代之后,日本原子能研究所(JAERI)和高能加速器研究组织(KEK)建立强流质子加速器联合设施(J-PARC工程)。

    现状:日本散裂中子源造价17亿美元,其中一台3000兆电子伏特的快循环同步加速器将提供设计束流功率为1兆瓦的质子束流用于驱动散裂中子源,2008年5月产生中子,目前10台谱仪对用户开放,6台正建,6台正在设计。其用户增长极为迅速,正在酝酿建设新的2兆瓦的散裂中子源。 

    3、1985年,英国卢瑟福实验室建成ISIS环形加速器,能量为800MeV,平均流强为200A,是迄今为止世界上最强的脉冲散裂中子源。

    现状:英国散裂中子源已成功运行超过25年,获得大量成果。目前正将质子加速器束流功率从160千瓦提高到240千瓦,其第二靶站也已于2009年建成运行,有27台谱仪对用户开放,每年用户逾2000人,并与Diamond光源共同构成高科技园区的核心。

 

3、中国散裂中子源项目

    中国散列中子源ABC

    中文名:中国散列中子源

    简称:CSNS

    类别:国家“十二五”国民经济和社会发展规划的重大科技基础设施项目

    创办时间:2011年动工、计划2017年前后建成

    研究目的:研究中子特性、探测物质微观结构和运动的科研装置,建成后将用于基础科学研究和商业实验。

    建设单位:中科院和广东省(东莞大朗镇)

    预计总投资:22亿元人民币

    项目内容:主要建设1台束流动能为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流动能为1600兆电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台谱仪及相应配套设施和土建工程

    中国散射中子源项目特点

    节省投资,易于升级,建成后将跻身世界四大脉冲式散裂中子源的行列

    作为国家“十二五”国民经济和社会发展规划的重大科技基础设施项目,散裂中子源建设总投资为16.7亿元人民币。

    这个价钱与国际上已有的散裂中子源相比,已是十分“便宜”。目前在世界上,美国、日本和英国拥有自己的散裂中子源,其中美、日两国都是新近修建的,耗资分别达到14亿和18亿美元。

    我国的散裂中子源项目主要建设1台80MeV负氢离子直线加速器、1台1.6GeV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。由离子源产生的负氢离子束流,通过射频四极加速器(RFQ)聚束和加速后,由漂移管直线加速器(DTL)把束流能量进一步提高到80MeV,负氢离子经剥离后注入到快循环同步加速器(RCS)中,使束流达到最后能量1.6GeV、功率100kW,并保留了升级到500kW的能力。从RCS引出的高能质子束流经传输线打向钨靶,在靶上产生的散裂中子经慢化,再通过中子导管引向谱仪,供用户开展实验研究。

    加速器采用低能直线加速器+高能快循环同步加速器的方案,可节省投资、易于升级;脉冲重复频率定为25赫兹Hz,可大幅提高长波中子及每个脉冲内中子的通量;谱仪设计采用国际先进技术成果,提高中子利用效率和谱仪分辨率。我国的散裂中子源尽量采用成熟技术,保证装置运行可靠性,并尽量提高设备国产率,降低造价。

    目前,世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国的ISIS、美国的SNS和日本的J-PARC,分别成功运行了25年、5年和3年。进入21世纪以来,美、日、欧等发达国家纷纷把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措,相继斥巨资建设新一代的散裂中子源。在美国的散裂中子源,总投资14亿美元、设计束流功率为1.4 MW的散裂中子源已经开始调束;日本的散裂中子源总投资约18亿美元、设计束流功率为1MW的强流质子加速器研究联合装置已开始加速器调束;韩国和印度也正在积极筹建束流功率为百千瓦量级的散裂中子源。

    由中国科学院和广东省共同投资建设的散裂中子源工程,将成为发展中国家的第一台散裂中子源,并跻身世界四大脉冲式散裂中子源的行列。

    CSNS项目大事记

    2001年2月,香山会议提出在中国建设散裂中子源的设想。

    2005年7月,国家科教领导小组原则批准未来5年内建造9个重大科学装置,中国散裂中子源项目居首位。

    2006年1月,中国散裂中子源启动关键技术的预研。

    2007年2月,中科院与广东省政府签署合作备忘录,双方共同向国家申请在广东东莞建设散裂中子源装置。

    2008年9月,国家发改委正式批准中国散裂中子源项目建议书。

    2009年6月,中国散裂中子源工程建设领导小组成立,8月,散裂中子源工程领导小组在广州举行第一次会议。

    2010年4月,国家环境保护部批复《中国散裂中子源建设项目环境影响报告书》,5月,国土资源部批复《关于中国散裂中子源项目用地预审的请示》。

    2011年2月,国家发改委正式批复中国散裂中子源项目建设可行性研究报告。

    2011年3月,十一届全国人大四次会议表决通过《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》,散裂中子源被列入国家“十二五”规划的“科技创新能力建设重点”。

    2011年5月,中科院正式批复散裂中子源项目初步设计及概算,8月,中科院院长白春礼为“中国散裂中子源”题名。

    2011年10月20日,中国散裂中子源在东莞举行工程奠基典礼,正式开工建设。

    相关新闻报道

    ·中国散裂中子源奠基建设 有助于前沿领域研究

    ·院士详细解读中国散裂中子源

    

(科技日报)

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