「超級顯微鏡」能看清什麼?

日前,位於廣東東莞的國家大科學工程─中國散裂中子源(CSNS)首次打靶成功,獲得中子束流,這標志著CSNS主體工程順利完工,進入試執行階段。中國散裂中子源是甚麼?它長啥樣?有甚麼用?安不安全?本報記者奔赴現場,為您一一揭曉。

一問:是什麼?

就像一台「超級顯微鏡」,可以研究物質的微觀結構。

「當一束中子入射到研究樣品上時,與它的原子核或磁矩發生相互作用,產生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化,就可以研究在原子、分子尺度上各種物質的微觀結構和運動規律,告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態。這種研究手段就叫中子散射技術。」中國散裂中子源工程總指揮、工程經理、中科院院士陳和生說。

1932年,英國物理學家查德威克發現了中子,人們開始認識到原子核是由帶正電的質子和不帶電的中子構成的。中子的發現及應用是20世紀最重要的科技成就之一。由於中子不帶電,具有磁矩,且穿透性強,能分辨輕元素、同位素和近鄰元素,具有非破壞性,這些特性使得中子散射成為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一,和X射線一樣,是多學科研究中探測物質微觀結構和原子運動的強有力手段。

陳和生進一步解釋說:「打個比方,假設面前有一張看不見的網,我們不斷地扔出很多玻璃彈珠,彈珠有的穿網而過,有的則打在網上,彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來,就能大致推測出網的形狀;如果彈珠發得夠多、夠密、夠強,就能把這張網精確地描繪出來,甚至推斷其材質。」

然而,進行中子散射的研究,需要用中子做探針,就必須有一個適當的中子源,先進的中子源是中子科學研究的基礎。如何能獲得產生高通量中子的中子源,一直是科學家不斷努力追求的目標。

高通量的中子源包括反應堆中子源和散裂中子源。核反應爐是一種穩定連續的中子源,在中子科學研究中發揮了巨大的作用。但由於反應堆散熱技術的限制,反應堆中子通量在上世紀六七十年代就達到了飽和。隨著科技的進步,相應的研究體系如薄膜、納公尺團簇、生物大分子和蛋白質等,尺度分佈更大,獲得數量在克量級的樣品更為困難。因此,小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源,散裂中子源應運而生。

「它是用來自大型加速器的高能質子轟擊重金屬靶,引起金屬原子的散裂反應,釋放出大量的中子。這些中子形成非常強的中子束流,中子慢化(中子與介質原子核碰撞,引起中子能量減少而減速的現象)後與樣品發生散射,最後由中子散射譜儀接收,我們科研人員就根據這些中子散射的資料分析出被觀測物體的微觀特徵。通俗點說,散裂中子源就像一台‘超級顯微鏡’,可以研究DNA、結晶材料、聚合物等物質的微觀結構。」陳和生說。

二問:長啥樣?

異常龐大,建在13公尺到18公尺深的地下

由於散裂中子源的這些獨特性能,以及國際社會對安全評估要求越來越嚴,發達國家普遍利用散裂中子源進行中子散射研究。目前,世界上正在運行脈衝式散裂中子源的國家主要有英國、美國和日本。中國散裂中子源建成後將成為發展中國家的第一台散裂中子源,躋身世界四大脈衝散裂中子源行列,從而大幅提升大陸基礎研究和高技術的水準。

雖然中子如此微小,但產生強中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置,是各種高、精、尖設備組成的整體。

記者在現場看到,CSNS隧道內裝置建在13公尺到18公尺深的地下。主要建設內容包括1台束流能量為80兆電子伏特的負氫離子直線加速器、1台束流能量為16億電子伏特的快迴圈質子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站和3台譜儀,以及相應的配套設施和土建工程。

陳和生說:「CSNS一期工程中子譜儀數量為3台,將來最多可建到20台。目前束流功率為100千瓦,我們還預留了進一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升級空間。」

首批建設的3台譜儀為通用粉末衍射儀、多功能反射儀、小角散射儀。

「通用粉末衍射儀主要用於研究物質的晶體結構和磁結構;多功能反射儀通過分析來自樣品的反射中子,研究物質的表面和介面結構;小角散射儀用於探測物質體系在1—100納公尺尺度內的微觀和介觀(介於宏觀與微觀之間的一種體系)結構。」陳和生說。

三問:有啥用?

可使高鐵和飛機更安全舒適,能用於腫瘤的放射性治療研究

散裂中子源可以產生強脈衝中子,並通過測量中子束流在樣品的散射反應過程,探測樣品原子核的位置和運動狀況,因此,在材料科學技術、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域都具有廣泛應用前景。

陳和生舉了個例子。「1998年6月,德國一輛城際快車意外出軌,最後查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國散裂中子源上檢測的,發現其中有內部裂痕。」

事實上,無論是高鐵的輪軌,還是飛機的渦輪、機翼,裡面都有應力,它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是,這個應力看不到、摸不著,對它的研究成了避免災難發生的關鍵。現在科學家已經可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩餘應力,優化機械加工工藝,使高鐵和飛機變得更安全舒適。

陳和生說:「散裂中子源技術在生物、生命、醫藥等研究領域也發揮著X射線無法替代的作用,並與同步輻射光源互為補充,成為基礎科學研究和新材料研發的最重要平臺之一。例如,散裂中子源的質子和中子可用於腫瘤的放射性治療研究,已在許多發達國家得到應用。還有,在新型清潔能源可燃冰的開發利用中,散裂中子源高壓下的中子衍射技術可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件,其研究成果將為安全、高效地開採和利用可燃冰提供科學依據。」

CSNS裝置的建設也將大大加強大陸中子散射科學和應用界的國際交流和合作,為大陸的中子散射技術和應用在國際前沿領域佔據一席之地提供良好的機遇。

「CSNS建設過程中,質子加速器、靶站、中子譜儀的建設,都涉及大量具有戰略意義的高技術,這些技術難關需要中國大陸最高水準的科研力量攜手攻克。所以,該項目的建設將吸引大批世界級的科學家前來進行科研活動,建成後將吸引大陸外逾600名專家學者彙聚東莞搞研究。」中國科學院物理研究所黨委書記孫牧說。

四問:安全嗎?

在附近居住一年,接受的輻射量僅相當於乘一次長途飛機

如此龐大的科學裝置,它的安全性如何呢?會不會對周圍的環境產生污染?

陳和生說:「CSNS基於新一代加速器,不需要核材料,其動力來自電能,輻射嚴格控制在環保安全範圍。我們做過測算,在散裂中子源附近居住1年,居民受到的輻射量僅相當於乘1次長途飛機。」

據介紹,CSNS附近建有監控站,隨時監控輻射情況。《散裂中子源專案環境影響報告書》也提出了事故應急預案。由於散裂中子源是射線裝置,只要斷電停機,中子源產生的主要輻射立即消失。

另外,散裂中子源與反應堆類的核裝置完全不同,不需要核原料,沒有鏈式核反應,加速器運行時會有少量的粒子丟失而產生次級粒子,如:χ射線、γ射線和中子等,它們都具有放射性,通稱為暫態輻射。

「這些放射性物質,比反應堆中子源低5—6個量級,對環境的影響要小得多,而且這些放射性物質將存放在國家指定的廢物庫中。」中國大陸散裂中子源工程副經理陳元柏說。

「只要加速器一停機,造成環境影響的主要輻射源即消失,可以說像水龍頭一樣安全可靠。加速器是通過電子器件自動控制起停的,一旦出現故障,可以在幾毫秒內關閉加速器。倘若發生地震等自然災害,散裂中子源機器便停止運轉,輻射場立即消失。經反覆論證研究,散裂中子源是比較清潔的射線裝置。」陳和生說。