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2018年8月23日，“国之重器”中国散裂中子源正式通过国家验收！ 继英国、美国、日本之后，我国成为世界上第四个拥有散裂中子源的国家！  历经6年半的紧张建设，中国散裂中子源作为我国首台散裂中子源，按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务，其综合性能进入国际同类装置先进行列。中国散裂中子源填补了国内脉冲中子应用领域的空白，将为诸多领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究平台。 中国散裂中子源-靶站谱仪篇 中子源是能够产生中子的装置，它是进行中子核反应、中子衍射等中子物理实验的必要设备。要用中子研究物质的结构，必须有一个适当的中子源。最早使用的是放射性同位素中子源，但强度较低，寿命有限。20世纪用于中子核物理研究的主要中子源，是用低能粒子加速器产生的带电粒子束轰击靶而产生的中子，其能量单一、脉冲性好，但中子产生效率较低。反应堆中子源中子通量高，应用最为广泛，但由于反应堆散热技术的限制，使其最大中子通量受到限制。 散裂中子源的出现则突破了反应堆中子源中子通量的极限。它的基本原理是用高能强流质子加速器产生能量在1GeV以上的质子束轰击重元素靶（如钨或铀），在靶中发生散裂反应，产生大量的中子（图1）。其特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广。此外，散裂中子源还具有高脉冲通量和优越的脉冲时间结构，低本底，且不使用核燃料，只产生极少量活化产物等诸多独特优点。 图1 原子核散裂产生中子过程示意图（图片转载自网站） 用于中子散射的中子，波长从几埃到几十埃、能量在毫电子伏特到电子伏特之间，分别与物质中原子分子之间的距离和相互作用能量相当。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非破坏性等特性，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，在磁性凝聚态物理、纳米材料、高强度高性能塑料、蛋白质和生物、高温超导机理、同位素辨识、工业无损深度探伤、污染及废料处理等领域得到了广泛应用（图2）。 图2 中子散射技术的应用（图片转载自网站）  近年来，随着强流加速器技术的发展，百千瓦到兆瓦级束流功率的散裂中子源成为国际公认的新一代高通量、宽波段、高效安全的中子源。进入21世纪，美、日、欧等发达国家认识到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位，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。为提高我国的科技创新能力，中国散裂中子源（CSNS，图3）于2011年在广东省东莞市开工建设，其第一期设计束流功率为100Kw，脉冲重复频率为25Hz，它主要由一台80MeV负氢直线加速器、一台1.6GeV快循环质子同步加速器及其前后两条束流传输线、一个靶站和三台中子谱仪及相应的配套设施组成。物理所王芳卫研究员领导的靶站谱仪工程中心研究团队是CSNS靶站和谱仪建设的骨干力量。 图3 中国散裂中子源航拍图（图片转载自CSNS网站） 靶站作为散裂中子源的核心组成部分，其主要功能是把加速器里的高能质子转化为低能中子。靶站吸收质子并通过散裂过程释放出高速中子，这个过程会产生高温，以及携带辐射的同位素副产品。因此，在靶站的整个设计过程中，即要考虑到中子的产生效率，也要考虑到打靶过程所带来的散热以及辐射安全问题。为充分利用打靶产生的中子，中国散裂中子源靶站共计设计预留了20条中子孔道，分别适用于不同功能类型的谱仪建设要求。 图4 中国散裂中子源靶站实体图片（图片转载自CSNS网站） 中子散射谱仪作为中子源的最后一个环节，也是开展中子散射实验的最终平台，其建设性能的优劣直接决定着整个中子源科研成果的产出。中子散射谱仪按其探测中子物理量的变化可分为两类：弹性散射谱仪和非弹性散射谱仪。弹性散射谱仪所探测的散射中子仅在空间分布上产生了变化，而能量仍与入射中子一致，主要研究物质中原子、分子等的位置，也即结构信息。非弹性散射谱仪不仅探测散射中子在空间分布上的变化，而且还同时探测散射中子的能量变化，主要研究物质中原子、分子等是如何运动的，即动力学过程。考虑到国内用户需求和国际相关领域的发展，并结合经费批复情况，中国散裂中子源一期建设了通用粉末衍射谱仪、多功能反射谱仪和小角散射谱仪。其中通用粉末衍射谱仪（GPPD）和反射谱仪（MR）分别由物理所何伦华研究员和朱涛研究员负责建设，两台谱仪均按期达到或超过国家验收指标，一经建成便迅速获得了重要科研成果。 CSNS通用粉末衍射谱仪（图5）主要由慢化器、准直器、斩波器、中子导管、样品散射腔以及分布在三个角度上的中子探测器组成。 图5 CSNS通用粉末衍射谱仪外观实景图 小角度探测器适于测定较大分子的结构，背反射探测器适于分辨率较高的研究，散射角度2θ=90°处的探测器可有效地避免样品容器的散射，适于特殊样品环境下的结构研究。GPPD使用的中子波长范围为0.03-0.48 nm，样品到慢化器的距离为30米，GPPD的最佳分辨率可达0.2%，并且其中子通量具备研究小样品的结构、相变和实时化学反应的能力。此外，GPPD提供低温、高温和高压等特殊样品环境，可满足不同条件下的样品测试要求。 CSNS通用粉末衍射谱仪主要用于研究物质的晶体结构和磁结构，以满足来自化学、材料科学、纳米科学、凝聚态物理等众多领域的科学研究和工业应用需求。在实验技术上，其利用脉冲中子源具有不同波长中子的特性建立了飞行时间衍射法。具体说来，就是通过测算中子到达不同角度探测器的时间，来确定所发生衍射中子的波长，从而通过布拉格衍射定律，来得到物质材料的结构信息。飞行时间衍射法，可以在几秒甚至更短的时间内收集一条完整的衍射谱，大大提高了探测物质结构信息的时间分辨率。在具体应用方面，与X射线粉末衍射仪类似，CSNS通用粉末衍射谱仪可用于多组分混合体系的无损分析，组份确定，结晶性、晶格常数、膨胀张量、体模量、磁相变等的确定。不同于X射线衍射仪，利用中子自身的众多特性，GPPD在晶体结构测定方面有其独特的优势，例如可用于轻元素的定位与近邻元素的区分（各种无机碳氢、锂离子电池电极、氧化物、超导体等材料结构中轻元素的位置，3d过渡族合金Fe-Co、Ni-Mn、Ni-Cr等含近邻元素合金样品的有序度研究），以及磁结构的测量。 与中子衍射类似，中子反射也是十分重要的散射技术之一。中子反射实验的主要目的是测量作为垂直于反射表面的散射矢量函数的镜反射率，确定垂直于材料表面的一维散射势，得到中子散射长度密度与深度的关系信息，从而获取物质表面与界面的微观结构信息。中子反射谱仪作为开展中子反射实验的重要平台，从实验模式上可分为两类，即常波长模式和飞行时间模式。CSNS中子反射谱仪（图6）采用后者实验模式，其在实验过程当中保持中子束的掠入射角θ不变, 利用脉冲“白光”中子束中不同波长的中子在相同距离的情况下到达探测器的时间不同, 测量反射中子的飞行时间谱, 获得反射率随波长的变化。 图6 CSNS中子反射谱仪 该飞行时间模式的特点是在实验过程中测量几何保持不变(例如样品方位、探测器位置等), 适宜于液体样品界面的测量, 并且由于样品表面上的中子束斑大小和照度不变, 对于非均匀样品的测量是有利的。此外，该模式能够同时测量全谱范围的反射率, 在同一时间获得整个反射率曲线。CSNS中子反射谱仪主要包括慢化器、准直系统、斩波器、样品台、样品环境设备、探测器、数据采集和处理系统等。其测量的Q范围为0.5-5 nm-1，分辨率小于10%，样品到慢化器的距离为21米，到探测器的距离为2米。入射中子束通过三维聚焦的弯曲超镜导管引导到样品表面。使用二维探测器既能探测镜面反射，又能探测非镜面散射。镜面反射包含了垂直于膜面方向上的结构信息。非镜面散射则起源于膜面内的结构涨落，如磁畴以及粗糙的层间界面等。CSNS中子反射谱仪的主要应用领域包括低维结构和表面及界面磁性、固液界面、聚合物及LB膜、生物膜结构、界面现象等。中子反射技术作为一种薄膜材料和界面科学研究的先进独特手段, 在某些方面具有其他手段无法替代的独特优势。 CSNS靶站及一期谱仪系统的顺利建成，不仅为用户提供了开展中子散射实验的重要平台，同时也为后续其它谱仪建设以及靶站的升级改造积累了大量经验。在整个靶站以及谱仪系统的建设过程中，以物理所靶站谱仪中心为核心的科研团队，历经万难，不断创新，集成开发了一系列具有我国自主知识产权的新技术。作为中子散射领域的一颗新星，CSNS将会极大提高我国科技创新能力与国际竞争力。物理所靶站谱仪中心的科研团队，将会一如既往地努力，为国之重器CSNS的后续建设贡献力量。 近期热门文章Top10 ↓ 点击标题即可查看 ↓ 2. 蚊子给你扎针吸血时命中率高吗？真相让人流下了同情的泪水 4. 物理定律助你七夕「科学表白」，谁说「天下有情人终将分手」→_→ 5. 暑假玩得很爽是吧？开学后你就会感到智商对你的疯狂打击报复了 7. 2018数学最高奖“菲尔兹奖”揭晓，4位获奖者各自拥有怎样的故事？ |
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