散裂中子源設(shè)備樓航拍

今年3月，通過工藝鑒定和工藝驗收的中國散裂中子源，作為繼英國、美國、日本之后，世界上第四個脈沖式散裂中子源為大眾知悉。對于科學(xué)家來說，散裂中子源就像超級顯微鏡，通過中子譜儀既能研究材料中原子們“在哪里”，還能發(fā)現(xiàn)它們在“干什么”。對于普通人來說，它能用來探測新型鋰電池材料和檢測飛機、高鐵的安全性。中國散裂中子源有何先進(jìn)的設(shè)計理念，又有何獨到之處？

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設(shè)計核心：加速器似引擎靶站是成敗關(guān)鍵

很多人都拍過胸片，對CT也比較熟悉，這些都是用X光透視拍攝的，實際上，還有一種更“厲害”的透視拍照——中子成像。例如，一尊泥土制成的文物人像，內(nèi)部其實有木架支撐。但X光感應(yīng)碳、氫、氧為主要元素的木頭能力較弱，因此無法看清其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此時，利用中子成像技術(shù)，就能清晰地看到文物內(nèi)藏的木架結(jié)構(gòu)。同時，中子的穿透能力極強，還可對較厚物體和金屬材料進(jìn)行透視成像，能夠?qū)崿F(xiàn)核燃料元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷的無損檢測。可以說，借由中子散射，人們對微觀世界的了解前進(jìn)了一大步。

中國散裂中子源投資達(dá)23億元，是我國第一個脈沖型散裂中子源。中國散裂中子源之所以落地東莞大朗，既是因為這里地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也是為了優(yōu)化我國大科學(xué)裝置的布局，推動珠三角的科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級。

走進(jìn)中國散裂中子源，可以看到整個項目的地表建筑非常簡單，辦公樓的設(shè)計簡約穩(wěn)重。只有大堂中懸掛的十多個院士的照片，隱隱顯示這個單位科研實力之強大。“地面建筑不是重點和關(guān)鍵”，工作人員表示，散裂中子源整個裝置建在距離地面13米到18米的地下。據(jù)悉，目前散裂中子源已處于24小時開機工作狀態(tài)，在持續(xù)不斷產(chǎn)生中子，供研究使用。

中國散裂中子源其實是各種高精尖設(shè)備組成的復(fù)雜整體，包括一臺強流負(fù)氫離子直線加速器，一臺快循環(huán)質(zhì)子同步加速器，一個靶站，20臺（一期3臺）中子譜儀等科學(xué)實驗設(shè)施以及相關(guān)配套設(shè)施。

靶站：是產(chǎn)生中子的關(guān)鍵地方

從散裂中子源的工作流程來看，首先是離子源產(chǎn)生負(fù)氫離子束流并通過直線加速器加速到80MeV，再注入到快循環(huán)同步加速器；經(jīng)過剝離膜轉(zhuǎn)換為質(zhì)子；質(zhì)子束流積累到足夠強并進(jìn)一步加速，達(dá)到16億電子伏特的能量后，從環(huán)形同步加速器中引出，經(jīng)傳輸線去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬靶；金屬靶的原子核被撞擊產(chǎn)生中子，經(jīng)慢化后射向樣品，通過與物質(zhì)原子核的相互作用獲得樣品物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息，供研究之用。

因此，加速器和靶站譜儀的設(shè)計是整個項目的核心。加速器如引擎般產(chǎn)生動力，靶站譜儀則對能否產(chǎn)生需要的中子及中子散射實驗起到至關(guān)重要的作用。

快循環(huán)同步加速器：在這里，負(fù)氫離子經(jīng)過剝離膜轉(zhuǎn)換為質(zhì)子，質(zhì)子束積累到足夠流強后被進(jìn)一步加速，達(dá)到16億電子伏特的能量后引出，打向鎢靶。

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加速器設(shè)計：巧妙組合 預(yù)留五倍升級空間

中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部副主任王生對記者表示，就像對卡車要求承重和安全，而對跑車要求速度一樣，散裂中子源的加速器是強流質(zhì)子加速器，要滿足特殊需求：高功率，打靶的功率要高，同時要求束流損失最少。設(shè)計上采用倒推方法，根據(jù)最后的束流指標(biāo)、時間結(jié)構(gòu)、功率反推同步加速器、直線加速器的設(shè)計指標(biāo)。這是一個復(fù)雜卻精密的過程，僅加速器就由近萬個設(shè)備組合而成，參與設(shè)計的團(tuán)隊超過150人，涉及十多個專業(yè)。

中國散裂中子源的質(zhì)子束流功率為100kW（千瓦），束流功率指標(biāo)和目前世界上的最高功率的散裂中子源還有一定的差距，這是經(jīng)過各種權(quán)衡后確定設(shè)計。同時，經(jīng)過精心和巧妙地設(shè)計，利用很小的代價，保留了升級到500kW束流功率的能力，在設(shè)計階段預(yù)留五倍的束流功率升級空間也比較少見。

先進(jìn)散裂中子源的加速器構(gòu)成，通常采用兩種加速器組合，一種是全能量的直線加速器加累積環(huán)的方案，如美國的散裂中子源 SNS；一種是采用較低能量的直線加速器后接快循環(huán)質(zhì)子加速器的方案。對中國散裂中子源這樣的束流功率為百千瓦量級的裝置，后一種加速器方案比前一種造價更低，并且易于保留未來的束流功率升級的能力。因此，作為中國的第一臺散裂中子源，采用了最先進(jìn)的強流加速器的設(shè)計理念，低能直線加速器加快循環(huán)高能同步加速器的加速器方案,即能滿足目前的國內(nèi)的中子散射研究的需要，也保留了未來進(jìn)一步提升束流功率的能力。

打靶束流功率和單位時間內(nèi)的打靶次數(shù)成正比，單位時間內(nèi)打靶的次數(shù)越多，則打靶的束流功率越高。普通的同步加速器的循環(huán)周期在幾秒到分鐘量級，而中國散裂中子源的同步加速器的循環(huán)周期是40毫秒，即每秒鐘提供25次打靶束流，因此稱之為快循環(huán)。

快循環(huán)帶來了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。很多在普通同步加速器上成熟的技術(shù)，在快循環(huán)同步加速器上都變成了需要攻克的技術(shù)難題。比如，在快循環(huán)狀態(tài)下交流運行，澆鑄的疊片鐵芯散片、線圈環(huán)氧開裂等正常情況下不會出現(xiàn)的問題，都出現(xiàn)了。據(jù)王生介紹，從預(yù)研階段開始，花了近六年的時間，通過課題組和工廠的密切合作，從環(huán)氧的配方，到每一個工藝細(xì)節(jié)，都進(jìn)行了細(xì)致反復(fù)的實驗和探索，在經(jīng)歷了多次失敗后，最終解決了所有問題。

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靶站設(shè)計：優(yōu)化設(shè)計為獲得更多中子數(shù)量

加速器讓質(zhì)子獲得高能量輸入到靶站，而最終產(chǎn)生適合譜儀的中子數(shù)量和質(zhì)量還需要靶站的優(yōu)化設(shè)計，中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部副主任梁天驕對記者表示。事實上，地球上的萬物在微觀上由質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成，中子貢獻(xiàn)了近一半的質(zhì)量，不過這些中子被強相互作用力約束在原子核中，散裂中子源靶站產(chǎn)生的是自由的中子。

中子的能量范圍很寬，速度越快能量越大，自然界存在的中子能量范圍是從幾個meV（毫電子伏特）到超過GeV。中子具有波粒二象性，1eV的中子對應(yīng)的波長是0.286埃，10meV的中子對應(yīng)波長就是2.86埃，能量越低對應(yīng)的波長越長。散裂中子源主要用到的中子是在1eV以下能量的中子，對應(yīng)的波長從約0.3埃到十幾埃甚至更長，而這與要研究對象的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)尺度相當(dāng)，比如鉆石，其晶體結(jié)構(gòu)中碳原子和碳原子的間距約1.5埃，要觀察這個間距的微觀結(jié)構(gòu)，就要用波長和間距差不多的中子。

如何能產(chǎn)生能量速度與譜儀需求相匹配的中子，就需要通過靶站。靶站由靶體、慢化器、反射體及屏蔽等組成。通過加速器獲得的高能質(zhì)子沿質(zhì)子束道進(jìn)入靶站，射入重金屬靶體，入射質(zhì)子可與原子核內(nèi)的單個質(zhì)子或中子發(fā)生級聯(lián)碰撞，將部分能量轉(zhuǎn)移給被碰撞的中子和質(zhì)子，增加它們的動能，從而被轟擊出來，發(fā)生級聯(lián)碰撞后的原子核溫度升高，部分原子核內(nèi)的中子就會“沸騰”起來，并脫離原子核的束縛發(fā)射出來，同時，在級聯(lián)過程中轟出的能量較高的中子和質(zhì)子，還可以繼續(xù)打中其他原子核，產(chǎn)生更多的中子，這個過程就被稱為散裂反應(yīng)，這也是散裂中子源名稱的來源。散裂反應(yīng)產(chǎn)生的快中子飛向各個方向，能量較高，必須經(jīng)過慢化器的慢化才能供實驗所用。就好像打臺球一樣，通過碰撞讓自身速度慢下來，因此慢化器的設(shè)計非常關(guān)鍵。

正在吊裝的慢化器：通過慢化器，才能獲得能夠得以應(yīng)用的中子

梁天驕表示，在設(shè)計過程中為了獲得更多滿足條件的中子，進(jìn)行了大量的靶-慢化器-反射體緊湊耦合的物理、工程設(shè)計和優(yōu)化以及工藝探索，比如慢化器的構(gòu)型和引出結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

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應(yīng)用前景 為改進(jìn)和優(yōu)化汽車鋰電池提供支持

中子具有穿透力強、對輕的元素敏感、可研究磁性等特點。散裂中子源為眾多學(xué)科前沿領(lǐng)域的研究提供了一種先進(jìn)、不可替代的研究工具。它就像一臺超級顯微鏡，研究諸如新材料、DNA、聚合物等的結(jié)構(gòu)，揭開這大千世界的神秘面紗。

據(jù)介紹，中國散裂中子源靶站可為20條譜儀提供束流，一期已建設(shè)三臺譜儀。例如，可以用于研究發(fā)現(xiàn)儲能密度更高的新鋰電池材料，也可實時原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分性能的變化，為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

CSNS近期還將建設(shè)更多的譜儀，包括大氣中子譜儀、高壓譜儀、應(yīng)力譜儀、中子照相等。大氣中子譜儀可用于電子器件和電子系統(tǒng)的大氣中子輻照效應(yīng)研究，用于航空電控系統(tǒng)、地面高可靠電子設(shè)備等研發(fā)的高能量中子的加速測試，一百年的自然輻照過程在該譜儀上一分鐘就可能完成了。高壓譜儀可以研究，可燃冰是在什么條件下形成的，模擬可燃冰的形成條件，讓穿透性很強的中子進(jìn)去，加載不同的壓力條件觀察其變化。應(yīng)力譜儀可以用于研究輪軌和機翼的殘余應(yīng)力，優(yōu)化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。

CSNS的研究人員也正利用散裂中子源建造中形成的技術(shù)進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化，研發(fā)新型的硼中子俘獲治療癌癥設(shè)備。

文章來源：廣州日報

IEEE Spectrum

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