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    国家投入18.8亿元的科学工程主体完工!

    2017年9月2日 来源: 中国科讯

    精彩内容

    中国科学院院士、国家大科学工程中国散裂中子源(CSNS)工程总指挥陈和生9月1日宣布,四天前即8月28日,位于广东东莞的中国散裂中子源首次打靶成功,获得中子束流——这是该工程建设的重大里程碑,标志着中国散裂中子源主体工程顺利完工,进入试运行阶段。

    中国散裂中子源是国家“十一五”期间立项、“十二五”期间重点建设的重大科技基础设施,由中国科学院和广东省共同建设,法人单位为中国科学院高能物理研究所,共建单位为中国科学院物理研究所。

    该工程于2011年10月奠基,预计总投资为23亿元人民币,其中国家批复投资18.8亿元。

    ▲ 中国散裂中子源效果图

    在中国科学院今天举行的集体采访会上,陈和生向来访媒体展示了一张照片,照片上的时间定格在2017年8月28日上午,这是中国散裂中子源首次打靶成功后,工程经理部成员和相关系统人员的集体合影。

    陈和生说,首次获得中子束流的目标原定于今年秋天,如今提前实现,且调试进度大大超过国际上其他散裂中子源调试过程,这样历史性的一刻值得共同见证。

    他清晰地记得,8月28日上午10时,在中国散裂中子源靶站谱仪控制室,科研人员紧张待命,作质子束流打靶前的最后准备。在他发出指令后,从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶。

    10时56分许,科研人员在靶站6号和20号中子束线,分别测量到从两个不同慢化器输出的中子能谱,这意味着,散裂中子源顺利获得中子束流。

    ▲ 中国散裂中子源环大厅鸟瞰图

    ▲ 中国散裂中子源靶心全貌

    所谓散裂中子源,通俗的说就是一个用中子来了解微观世界的工具,也因此被形象地称作“超级显微镜”。

    当然,中国散裂中子源并非国内唯一能产生中子的装置,我国还有两个反应堆中子源装置——中国先进研究堆和中国绵阳研究堆,它们可以提供连续中子束。所不同的是,中国散裂中子源是我国唯一能通过加速器打靶产生中子的装置。

    目前,全球正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国散裂中子源、美国散裂中子源和日本散裂中子源。建成后的中国散裂中子源,将成为世界第四台脉冲式散裂中子源。

    ▲ 中国散裂中子源直线加速器

    按照陈和生的说法,这样一个大科学工程,不仅可以在材料科学、生命科学、物理等基础研究领域提供“有力支撑”,还有“接地气”的一面,相关领域可借此平台攻克国家可持续性发展和国家安全战略需求的一些瓶颈问题。

    他举了一个例子:1998年6月,德国一辆城际快车意外出轨,事故元凶竟然是老化的车轮。车轮在英国散裂中子源上检测,发现其中的内部裂痕。

    陈和生说,事实上,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼里面都有应力,它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免类似灾难发生的关键。如今,科学家已经可以在散裂中子源上,测量研究轮轨和机翼的剩余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。

    ▲ 中国散裂中子源环加速器

    他还记得,2001年2月,我国科学家第一次在香山会议上提出建设该工程的设想。从2006年起,中国科学院支持了相关关键技术的预研,攻克了诸多技术难题。加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,设备国产化率达到96%以上。

    按照工程规划,整个装置建在13米到18米的地下,其主要建设内容包括1台8千万电子伏特的负氢离子直线加速器、1台16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流运输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。

    ▲ 中国散裂中子源鸟瞰图

    当天,陈和生还透露,预计2018年春,中国散裂中子源将按计划全部完工,正式对国内外用户开放。未来,散裂中子源还将向国家申请二期工程建设,届时将新建谱仪,并将功率从100千瓦升级到500千瓦。

    一问一答

    啥是中子

    世界上的物质是由分子和原子构成的,原子就像是原子核和核外电子的微小太阳系,质子和中子构成了原子核。

    中子作为组成原子核的基本粒子之一,不带电,因此被称为中子。它是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。

    中子对轻的原子核非常敏感,能够精确测得分子结构中的氢原子位置,还能定位“掺杂”在重原子中的其他轻原子。中子的这种特性,使它能够“拍摄”到材料的微观结构,跟踪正在运动中的原子核分子的行为。

    啥是中子源

    中子源是能够产生中子的装置,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。

    啥是散裂中子源

    简单地说,散裂中子源就是一个用中子来了解微观世界的工具。当一个高能质子打到重原子核上时,一些中子被轰击出来,这个过程被称为散裂反应。被轰击的原子核温度升高,更多的中子就会“沸腾”起来并脱离原子核的束缚。

    如果将一个垒球用力投到装满球的筐中,有一些球会立刻蹦出来,而更多的球则会弹跳并翻出筐外,散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。

    从上世纪80年代开始发展起来的、基于先进加速器技术的散裂中子源是目前世界上最先进的中子源,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。

    这么大装置对环境有辐射吗?

    散裂中子源是一台大型射线装置,产生的辐射主要是瞬发性的。只要加速器一停机,辐射场随即消失,同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。散裂中子源通常安置在地下隧道内,周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射。

    在屏蔽外,剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射,大约只相当于宇宙射线对人体产生的剂量的1/10,并且只要加速器一停机,这种瞬发辐射随即消失,不再对环境造成影响。

    即使工作人员,在工作场所5年所接受的剂量也仅与进行1次X射线胸透所接受的剂量相当。此外,散裂中子源还设计了严格的人身安全联锁系统,确保人身、环境安全。

    对中国散裂中子源建设可能带来的环境影响评价结果表明,中国散裂中子源运行时产生的中子、γ射线,以及少量放射性气体的排放,对场址边界外周围公众的年剂量水平大大低于国家标准GB18871规定的,对公众的剂量限值标准1mSv/a,能够保证公众成员的健康与安全。另外,中国散裂中子源运行过程中产生的O3等气体的浓度远远低于国家标准值,不会对周围环境产生不利的影响。

    18.8亿元国家投入算多吗?

    陈和生说,美国散裂中子源投入14亿美元,中国预计总投入是23亿元人民币(其中国家投入18.8亿元人民币),对比来看并不算多。建成后,中国散裂中子源将成为发展中国家的第一台散裂中子源,跻身世界四大脉冲散裂中子源行列,从而大幅提升中国基础研究和高技术的水平。

    当然,之所以相比国外“节省”很多,一个重要原因在于采用国产设备。陈和生说,该项目从2006年起开展了一系列关键技术的预制研究工作,攻克了众多技术难题。加速器、靶站和谱仪工艺设备的批量生产在全国近百家合作单位完成,许多设备的研制在达到国内外先进水平,设备国产化率达到96%以上,“如果从国外进口相关设备,这个投资(国家经费18.8亿元人民币)肯定是不够的”。

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