中學(xué)生的中性光學(xué)

中立是形成內(nèi)核的粒子之一。與顆粒一起形成氫外其他元素的核。1932年,查德威克(J.Chadwick)用α粒子轟擊鈹,發(fā)現(xiàn)從鈹放出的射線是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的不帶電的粒子,命名為中子。1935年查德威克因發(fā)現(xiàn)中子的重大貢獻(xiàn),獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1936年米切爾(P.Mitchell)和鮑爾斯(P.Powers)采用鐳、鈹不穩(wěn)定熱中子源在實驗上定性地證明了中子的衍射特性。1944年費米(E.Fermi)和津恩(H.Zinn)使用ArgoneCP-3堆引出的熱中子,進(jìn)行鏡反射實驗,實驗結(jié)果明顯地與中子的波動性而不是粒子性相關(guān);中子的波長和散射截面與X光相當(dāng),這是中子光學(xué)的開端。其后陸續(xù)證明,所有用光及X光產(chǎn)生的經(jīng)典光學(xué)現(xiàn)象都可用中子進(jìn)行。1945年之后,隨著核反應(yīng)堆技術(shù)的進(jìn)步,可以在很窄的能量范圍內(nèi)得到充分?jǐn)?shù)量的中子,中子衍射才成為固體和液體研究中的一種重要技術(shù)。因中子不帶電,不存在庫侖勢壘的阻擋,穿透力很強(qiáng),幾乎任何能量的中子同任何核素都能發(fā)生反應(yīng)。在實際應(yīng)用中,低能中子的反應(yīng)起更重要的作用。雖然中子是電中性粒子,但是中子具有–1.91304275μ1.中日散射的互補研究中子散射是人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力手段之一。如圖1所示,低能中子的波長和物質(zhì)中原子間的距離有相同的量級,其能量正好和原子分子的運動能量大體相當(dāng),具備研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)的理想條件;與X射線比較,中子散射技術(shù)具有高穿透性、對輕元素敏感、分辨同位素、探測磁矩和物質(zhì)中核與磁的基本相互作用等方面的獨特優(yōu)勢,不僅可探索物質(zhì)靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu),還能研究其動力學(xué)機(jī)制。由于中子的高穿透性,使得低溫、強(qiáng)磁場和高壓等原位樣品環(huán)境容易實現(xiàn);X射線對電子云的分布敏感,而中子是與原子核反應(yīng),確定的是原子核的位置,兩種技術(shù)互補;中子對輕元素比X射線敏感,在確定輕元素的位置方面是不可替代的;中子對同位素有不同散射長度,特別是氕(H)和氘(D),散射長度不僅大小不同、符號也相反,在求解如軟物質(zhì)、生物大分子領(lǐng)域中的復(fù)雜結(jié)構(gòu),氫氘襯度法具有重要作用;中子的磁散射強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)散射強(qiáng)度在同一量級,是測量磁結(jié)構(gòu)和磁激發(fā)的重要工具,1948年在反應(yīng)堆中子源首次從實驗上觀測到奈爾(L.Neel)預(yù)言的反鐵磁序(奈爾指出存在有一種“反鐵磁性”物質(zhì),在該物質(zhì)里各層原子的磁取向彼此相反,總的說來沒有磁性。但在某些情況下,一個方向上的磁取向超過另一個方向,這樣總體看來就有了磁性,這就是“反鐵磁序”)。1994年沙爾(C.Shull)和布羅克豪斯(B.Brockhouse)利用中子散射分別研究磁結(jié)晶學(xué)及晶格動力學(xué)而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎,將中子散射應(yīng)用推向了新的高潮。中子散射技術(shù)在國際上受到高度重視,其用戶群體的研究領(lǐng)域也已經(jīng)從傳統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科轉(zhuǎn)向環(huán)境、健康、能源以及納米和材料科學(xué)技術(shù)等新興學(xué)科。中子散射的研究范圍覆蓋從pm(10中子散射在我國的基礎(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程技術(shù)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,對解決國家可持續(xù)性發(fā)展和國家安全的戰(zhàn)略需求的許多瓶頸問題具有重要意義。例如中國散裂中子源在材料工程技術(shù)(如大型工程材料無損檢測、應(yīng)力等)、清潔能源材料(如鋰離子電池材料、氫能源材料和燃料電池材料等)和生物醫(yī)學(xué)的研發(fā)方面具有不可替代的作用,將填補我國脈沖式散裂中子源技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的空白。2.散裂中子源的研究現(xiàn)狀當(dāng)前國際上中子散射技術(shù)的研究和應(yīng)用十分廣泛,對提高國家整體科技創(chuàng)新實力具有重要意義。中子散射研究需要先進(jìn)的中子源,能產(chǎn)生高通量中子的中子源主要包括核反應(yīng)堆和散裂中子源。核反應(yīng)堆是一種連續(xù)的中子源,應(yīng)用于中子散射領(lǐng)域的反應(yīng)堆的中子通量基本穩(wěn)定在10核反應(yīng)堆是一種能以可控方式產(chǎn)生自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)的裝置。如圖4(a)所示,裂變反應(yīng)常見的過程是:當(dāng)一個中等能量的質(zhì)子打到重核(鉛、鎢、汞等元素)之后會導(dǎo)致重荷的不穩(wěn)定而“蒸發(fā)”出20~30個中子,這樣重核“裂開”并向各個方向“發(fā)散”出相當(dāng)多的中子,大大提高了中子的產(chǎn)生效率,如圖4(b)所示。按這種原理工作的裝置稱為散裂中子源(SpallationNeutronSource)。裂變和散裂過程都會產(chǎn)生大量的熱,消耗巨大的能量,裂變過程大約為200MeV/中子,散裂過程大約為40MeV/中子。所以散裂方法在熱散處理和能耗方面比裂變方法有明顯的優(yōu)勢,前者的效率大約是后者的5倍。鈾235裂變中子產(chǎn)額為2~3個,而1GeV的質(zhì)子在重原子核的靶上通過散裂反應(yīng),可產(chǎn)生30~40個快中子。與核反應(yīng)堆中子源相比,散裂中子源具有許多獨特性能:高脈沖通量,豐富的高能短波中子,優(yōu)越的脈沖時間結(jié)構(gòu),低本底。近年來,隨著強(qiáng)流加速器技術(shù)的發(fā)展,束流功率為兆瓦量級的散裂中子源成為國際公認(rèn)的、新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。它們產(chǎn)生的脈沖中子通量比反應(yīng)堆高上百倍,為諸多領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提供了強(qiáng)大的平臺。由于散裂中子源不使用核燃料,熱功率低,只產(chǎn)生極少量活化產(chǎn)物,環(huán)境友好,成為了國際上先進(jìn)中子散射源的發(fā)展趨勢。目前,世界上正在運行或建造的脈沖式散裂中子源主要有美國的SNS、日本的J-PARC和英國的ISIS等,下面將分別介紹。美國橡樹嶺國家實驗室具有一臺設(shè)計束流功率為1.4MW的散裂中子源SNS。它提供的脈沖中子通量高達(dá)10日本原子能研究機(jī)構(gòu)與高能加速器研究機(jī)構(gòu)合建了強(qiáng)流質(zhì)子加速器研究聯(lián)合裝置J-PARC,工程總投資約18億美元,于2008年建成并投入使用。其中的散裂中子源已有17臺譜儀對外開放。J-PARC包含一個400MeV(現(xiàn)在運行在180MeV)的直線加速器,后接一個3GeV的快循環(huán)同步加速器(RCS),提供設(shè)計束流功率為1MW的質(zhì)子束打靶產(chǎn)生高通量中子束(10英國盧瑟福實驗室的散裂中子源ISIS利用直線加速器將負(fù)氫離子加速到70MeV,通過剝離注入,把負(fù)氫離子剝離成質(zhì)子注入到快循環(huán)同步加速器,質(zhì)子束在同步加速器中累積并加速到800MeV,然后引出轟擊鎢靶,產(chǎn)生的脈沖中子通量將可達(dá)8×102014年9月動工建設(shè)的歐洲散裂中子源(ESS)將建設(shè)世界最長的質(zhì)子直線加速器,602m長的直線加速器產(chǎn)生2.86ms的低頻(14Hz)長質(zhì)子脈沖,平均束流功率達(dá)5MW,質(zhì)子束打擊氦冷卻的旋轉(zhuǎn)鎢靶,產(chǎn)生高通量寬波長范圍的冷中子束流。ESS預(yù)算超過18億歐元,已于2014年9月動工。瑞典和丹麥共同做為主辦國,出資48%。ESS建設(shè)在瑞典隆德,它的數(shù)據(jù)分析中心建在丹麥。11個歐盟成員國已經(jīng)承諾了工程建設(shè)經(jīng)費的49.5%,ESS一期已規(guī)劃設(shè)計12臺中子譜儀。表1是世界上正在運行和建造的主要的脈沖式散裂中子源參數(shù)比較,表中同時列出了正在我國廣東建設(shè)的中國散裂中子源(CSNS)。3.csns裝置的建設(shè)及應(yīng)用中國散裂中子源(CSNS,ChinaSpallationNeutronSource)是我國“十一五”期間重點建設(shè)的大科學(xué)裝置,預(yù)期壽命超過30年。其一期設(shè)計束流功率為100kW,脈沖中子通量將大于2×10CSNS的廠房、隧道和靶站的建設(shè)均已考慮到一期80MeV,100kW的負(fù)氫直線加速器將來升級到二期250MeV,500kW的需求。CSNS靶站500kW升級將使CSNS靶站每個脈沖的中子通量水平提升近五倍,達(dá)到MW級的日本J-PARC或美國SNS水平。(1)工程設(shè)計CSNS一期工程設(shè)計提供20條束線,參照國際慣例,在經(jīng)費有限的情況下,只能“一次設(shè)計,分步實現(xiàn)”。根據(jù)我國目前科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用的重點,一期工程優(yōu)先建設(shè)三臺譜儀,即通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀三臺譜儀。這三臺譜儀用戶量大,覆蓋面廣,且技術(shù)相對成熟。然而,三臺譜儀未能充分利用中子束流資源,無法開展高精度測量及動力學(xué)、中子物理和技術(shù)基礎(chǔ)等方面的研究,也無法滿足國內(nèi)中子散射研究和應(yīng)用科學(xué)界對高性能中子譜儀的迫切需求。為了滿足國內(nèi)廣大用戶的需求,支撐解決國家中長期科技發(fā)展中關(guān)鍵技術(shù)問題,同時也為了有效利用質(zhì)子打靶產(chǎn)生的中子束流,節(jié)約國家資源,CSNS根據(jù)國內(nèi)外中子科學(xué)研究應(yīng)用的發(fā)展重點和用戶需求規(guī)劃了一期3臺譜儀之后的17臺中子譜儀。CSNS裝置(圖5)建設(shè)的主要內(nèi)容包括:一臺80MeV負(fù)氫離子直線加速器、一臺1.6GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、兩條束流輸運線,一個靶站和一期3臺譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施。CSNS一期的總體設(shè)計指標(biāo)為:打靶質(zhì)子束流功率100kW,脈沖重復(fù)頻率25Hz,每脈沖質(zhì)子數(shù)1.56×10靶站體系包括鎢靶,三個中子慢化器(耦合氫慢化器容器、退耦合窄化氫慢化器、退耦合水慢化器容器),鐵鈹反射體,鐵+重混凝土屏蔽體,公用和維護(hù)系統(tǒng)。CSNS的靶體材料選用鉭包覆的固體鎢靶,冷卻劑為重水,靶體容器由在核工業(yè)廣泛應(yīng)用的耐輻照及腐蝕的核級316不銹鋼加工而成。低溫液氫耦合慢化器和常溫水慢化器分別位于靶體的正下方和正上方。CSNS靶站系統(tǒng)能安全可靠地接受100kW、1.6GeV的質(zhì)子束流,并把部分質(zhì)子束流能量轉(zhuǎn)化為短脈沖、高脈沖通量的慢化中子(<1eV)。產(chǎn)生的脈沖中子通過水(300K),耦合液氫(20K),退耦合液氫(20K)等三個慢化器慢化后通過中子束道及束道開關(guān)分配到中子散射譜儀端。(2)大型中子散射平臺當(dāng)前國內(nèi)中子散射領(lǐng)域發(fā)展迅速,對中子散射技術(shù)的研究和應(yīng)用的需求發(fā)展很快,中子散射領(lǐng)域的用戶群體每年都在顯著增加。CSNS落戶東莞,除了與國內(nèi)外主要中子散射裝置保持密切合作和共同用戶培養(yǎng)計劃外,也帶動了國內(nèi)特別是大珠三角地區(qū)的中子散射的科技和工業(yè)應(yīng)用的迅速發(fā)展,與周邊地區(qū),包括香港地區(qū)的眾多單位建立了合作關(guān)系。CSNS裝置的建設(shè)大大加強(qiáng)了國內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的國際交流和合作,為我國的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供了良好的機(jī)遇。CSNS為來自基礎(chǔ)與應(yīng)用科學(xué)研究、工程和工業(yè)應(yīng)用方面的廣泛領(lǐng)域的用戶提供了開放的大型的中子散射研究和應(yīng)用的平臺,目前我國中子散射的用戶按應(yīng)用方向可劃分為以下4個領(lǐng)域,研究和應(yīng)用內(nèi)容涉及:量子和無序材料磁性和超導(dǎo)的彈性和非彈性散射相關(guān)材料,磁性薄膜中磁結(jié)構(gòu)和磁相互作用,磁制冷材料的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu),關(guān)聯(lián)電子體系等;有機(jī)材料的自旋密度分布和波,分子磁體;無序物質(zhì)的原子動力學(xué)研究,多組分體系和特殊原子類型的動力學(xué);無序,摻雜,相變,熱動力學(xué),化學(xué)和生物性質(zhì)等方面。材料科學(xué)和工程應(yīng)力應(yīng)變測量,中子在工程部件和工程材料的應(yīng)用;研究形變和破壞的機(jī)制,工程設(shè)計和評估的模型驗證,過程控制和優(yōu)化;優(yōu)化能量存儲體系和能量轉(zhuǎn)換裝置的過程和材料;理解浸潤過程、性質(zhì)和浸潤表面相互作用之間的關(guān)系等方面。軟物質(zhì)和生物科學(xué)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)和動力學(xué);研究蛋白質(zhì)晶體學(xué),對高分子體系實現(xiàn)功能性重要質(zhì)子的精確定位;天然高分子材料、納米材料、生物醫(yī)用材料;功能性團(tuán)簇的關(guān)聯(lián)和自組裝;藥品和輸運等方面。能源與環(huán)境科學(xué)清潔能源材料(鋰離子電池材料、氫能源材料和燃料電池材料,太陽能電池薄膜等);新能源(包括核能、頁巖氣、可燃冰等);復(fù)雜環(huán)境,非環(huán)境條件下(包括應(yīng)變)的多晶聚合;高溫、高壓下納米多孔性,水合的,名義上無水的礦物合成物中水分子動力學(xué)研究;時間分辨的中子反射線照射術(shù)研究流變學(xué),研究高壓下流體和溶膠的物理和化學(xué)問題;火山爆發(fā)和地震學(xué)等。4.實驗系統(tǒng)和設(shè)備安裝位于廣東東莞的中國散裂中子源(CSNS)迄今為止工程進(jìn)展順利,CSNS加速器前端射頻四極加速器(RFQ)已于2015年4月21日成功出束,標(biāo)志工程建設(shè)及束流調(diào)試的良好開端;CSNS將于2018年春建成開放。加速器2015年4月21日,加速器系統(tǒng)前端的RFQ成功出束,在RFQ出口處得到3MeV,脈沖寬度50μs的負(fù)氫離子束流,峰值流強(qiáng)達(dá)到28mA(設(shè)計值15mA),標(biāo)志著工程建設(shè)及束流調(diào)試的一個良好開端;束流診斷的軟件、硬件啟動和前端出束已同時在進(jìn)行;RFQ的傳輸率達(dá)到88%,其四極管電源工作穩(wěn)定。加速器系統(tǒng)的大部分設(shè)備均已完成批量生產(chǎn):所有漂移管直線加速器(DTL)箱已完成生產(chǎn),正在組裝,所有注入件已完成生產(chǎn);快循環(huán)同步加速器(RCS)磁鐵,射頻腔,主準(zhǔn)直器和功率源已完成批量生產(chǎn);引出沖擊鐵及其脈沖功率源和環(huán)至靶站的引出磁鐵(Lambertson磁鐵)即將完成最后生產(chǎn);環(huán)–靶傳輸線(RTBT)磁鐵正在批量生產(chǎn);26個雙極陶瓷室已鍍TiN,部分陶瓷室外部已安裝射頻腔;絕大部分控制系統(tǒng)已準(zhǔn)備完畢。設(shè)備測試和測量方面,已經(jīng)完成DTL第一個物理腔的高頻場測量,該腔長9米,場的平整度和穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計值;4個DTL調(diào)速管出現(xiàn)真空泄露,一個已修復(fù),另外3個將送回CPI公司維修;沖擊磁鐵完成測試;RCS二極磁鐵按計劃完成了磁場測量,并在RCS隧道安裝就位;RCS射頻腔和功率源已完成大功率測試;主準(zhǔn)直器完成測試;兩組諧振高壓電源均已完成高壓測試。CSNS工程的24臺RCS二極磁鐵按計劃完成了磁場測量,并在RCS隧道安裝就位,標(biāo)志著RCS磁鐵測試與加速器設(shè)備安裝取得了階段性進(jìn)展(圖6)。靶站2015年5月5日,靶站氦容器成功吊裝,在密封筒內(nèi)完成就位(見圖7(a)),這是CSNS工程在設(shè)備安裝階段的重要里程碑,標(biāo)志著靶站主體設(shè)備開始投入安裝。目前,靶站主體框架安裝已完成(靶體、反射體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7(b)),重混屏蔽體已完成;其熱室鋼外殼已完成安裝,重混屏蔽層也已完成澆筑。靶底部固定鋼屏蔽、中子束開關(guān)底盤和靶站氦容器均已完成制造并安裝到位。靶體插件的設(shè)計和測試已于2015年年底完成,靶體插件遠(yuǎn)程控制已優(yōu)化至最簡,靶體基板已于2015年10月完成制造。靶體拖車的工程設(shè)計已完成,并于2015年12月在工廠完成預(yù)裝,2016年3月將開始現(xiàn)場安裝。耦合氫慢化器已完成部件加工;另外2個慢化器正在開始焊接。反射體不銹鋼插件已完成,鋁容器正在制造;鈹反射體于2015年11月制造完成;慢化器反射體整體插件將于2016年4月完成。靶站冷卻水系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備已安裝完成,其他設(shè)備安裝已于2015年年底之前完成;其他操作程序、調(diào)試方案和安全應(yīng)急計劃(包括主回路壓力邊界失敗、電源故障、自然災(zāi)害等)已經(jīng)制定。實驗系統(tǒng)CSNS實驗系統(tǒng)包括中子譜儀和探測器、遙控維護(hù)、低溫、中子束開關(guān)、斬波器、電子學(xué)和數(shù)據(jù)獲取(DAQ)、實驗控制、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、樣品環(huán)境以及譜儀數(shù)據(jù)分析與軟件等重要的系統(tǒng)。目前一期3臺譜儀的物理設(shè)計已凍結(jié),3臺譜儀的工程設(shè)計基本完成,將于2016年開始現(xiàn)場譜儀部件安裝;另外17條中子束道的譜儀選型已基本確定(圖8)。一期小角散射譜儀(SANS)是國內(nèi)第一臺脈沖源小角譜儀,其研究領(lǐng)域覆蓋高分子物理與化學(xué)、膠體膠束化學(xué)、合金材料和生物大分子樣品等方面;多功能反射儀的研究領(lǐng)域遍及金屬磁性薄膜,氧化物磁性薄膜,氧化物薄膜,有機(jī)功能薄膜等;通用粉末衍射儀研究領(lǐng)域主要包括新光電材料結(jié)構(gòu)、物性及其應(yīng)用、金屬間化合物的結(jié)構(gòu)、磁性、及相關(guān)機(jī)理、金屬材料結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)分析與表征研究、儲氫材料、太陽能能源材料的研究、磁性納米顆粒等方面。其他主要實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵部件樣機(jī)已通過驗收,包括中子探測器(5.csns中心的目標(biāo)散裂中子源支撐的學(xué)科眾多,領(lǐng)域最廣泛,是目前國際上公認(rèn)的、與大型光