小粒子成就大世界

科普 科學 博科園 2017-03-29

小粒子成就大世界

1998年6月,德國一列高速列車意外出軌,導致101名乘客死亡。經調查,事故元凶竟然是老化的車輪。

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,我們怎樣把它研究清楚,成了從根本上避免類似的災難發生的關鍵。

科學家們發現,有一種先進的研究平臺可以幫助我們測量大型部件的應力和應變——它就是中子散射。德國高鐵的車輪被送到英國散裂中子源用中子散射研究,找到了金屬疲勞的規律,制定了保證車輪安全的技術措施。

中子,微觀世界的理想探針

作為組成原子核的基本粒子之一,中子以其不帶電、具有磁矩、穿透性強,具有非破壞性等特質,成為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一。那麼科學家究竟是如何利用中子探究微觀世界的呢?

想象一下,在你的面前有一張看不見的網,然後讓你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,你就能大致推測出網的形狀;如果彈珠發得夠多、夠密、夠強,把這張網精確地描繪出來,甚至推斷其材質,就不是什麼難事。

這裡的玻璃彈珠就相當於中子,它打到網上向各個方向散開來,就是“中子散射”過程。

科學家正是通過測量散射出來的中子能量和方向的變化和關聯,在原子、分子尺度上研究物質的微觀結構和運動規律。

散裂中子源,物質微觀結構的科研利器

在我們的生活中,自由中子無處不在。但是,由於衰變,自由中子十分不穩定,平均壽命不到15分鐘,無法直接被用來探測材料的微觀結構。如何獲得高性能的中子?一種叫做“散裂中子源”的大科學裝置應運而生。

我國正在建設的散裂中子源裝置位於廣東省東莞市大朗鎮,建成後將成為全世界第四臺脈衝式散裂中子源。它由一臺負氫離子直線加速器、一臺快循環同步加速器、一個靶站、一期三臺中子譜儀(設計容量二十條譜儀)及相應的配套設施組成。

整個裝置建在13米到18米的地下。其中直線加速器隧道長240米,環形加速器周長228米。在它的源頭,負氫離子產生後,在直線加速器里加速,經過剝離膜“剝”掉電子,轉化成質子;質子束注入到環形加速器並積累到足夠流強後,再繼續加速到更高能量,然後從環形加速器引出去打金屬靶,金屬原子核在高能質子的轟擊下發生散裂反應,釋放出中子;一個質子在打靶後大概可以“撞”出20到30箇中子。

小粒子成就大世界

中國散裂中子源園區航拍圖(2017年2月)

小粒子成就大世界

直線加速器

小粒子成就大世界

快循環同步加速器

小粒子成就大世界

靶心

這個反應瞬間產生的中子束流脈衝非常短又非常強,要經過慢化器降到預期的能量範圍後,通過中子導管打到實驗樣品的原子核,環繞樣品的中子譜儀則記錄碰撞後中子的運動軌跡和動量分佈。

中子散射在我國的基礎科學研究、應用基礎科學研究和工程技術等諸多領域有著廣泛的應用前景,對解決國家可持續性發展和國家安全的戰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(如大型工程材料無損檢測、應力等)、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)和生物醫學的研發方面具有不可替代的作用,將填補我國脈衝式散裂中子源技術和應用領域的空白。

東莞分部 中科院高能所(casihep)

喜歡這類內容?也願意再閱讀其內容…?那麼敬請關注【博科園】今後我們會努力為你呈現更多科學知識。

相關推薦

推薦中...