材料表征超级利器:中子散裂源,相关装置即将在中国东莞建成,将为高性能材料深度结构研究提供平台,为我国乃至世界提升新材料水平提供利器。
中国国家科学装置、世界第四大脉冲中子源装置中国散裂中子源正在东莞大朗镇建设中,而且即将竣工投入使用。散裂中子源是体现中国科技水平、经济水平和工业水平等综合实力的大型科学研究装置,同时也将为新材料科学、生命科学、新型核能开发等学科及高新技术研究,提供先进大型实验平台。完工后的中国散裂中子源CSNS将成为继美国的SNS、日本的J-PARC和英国的ISIS之后,世界第四大脉冲式散裂中子源,每年可接待上千名研究者在不同谱仪上展开研究。
中国散裂中子源航拍图,来源:高能所
散裂中子源被称为“超级显微镜”,中子和X射线都是人类探索物质微观结构的有力手段。自查德威克1932年发现中子后,中子及中子散射的应用进一步加深了人们对物质微观结构的认识。与X射线不同,中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,且有对样品的非破坏性的特点,不仅可探索物质静态微观结构,还能研究其动力学机制。利用中子散射第一次直接测定了反铁磁结构的自然存在,验证了法国科学家奈尔反铁磁相互作用的猜想,帮助他荣获1970年诺贝尔物理学奖。沙尔和布罗克豪斯分别利用中子散射研究磁结晶学及晶格动力学而获得了1994年的诺贝尔物理学奖。
目前,中子散射技术在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法取代的作用,散裂中子源与同步辐射光源互为补充,已经成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。同时,中子散射在磁性凝聚态物理、纳米材料、高强度高性能塑料、蛋白质和生物、癌症治疗、高温超导机理、同位素辨识、工业无损深度探伤、污染及废料处理等领域得到了广泛应用。
在科学家眼中,这个设备就像一台超级显微镜:对于结构未知的材料,设备产生的中子流能探测出材料结构;对于已知结构的材料,中子流能探测出结构中可能存在的异常。中国科学院高能物理所院士陈和生以锂电池、高铁为例进行了介绍:“我用中子散射的方法,可以研究锂电池的寿命、充电放电过程内部的变化,这个只有散裂中子源才能够做到。还可以探测大工程的试样。比如高铁和飞机的部件的很多问题。这方面最成功的范例就是英国的散裂中子源卢塞夫实验室的曾经解决了德国高铁在十多年前的事故到底什么原因。比如空客380的客机,散裂中子源可以探测材料上的硬力分布,甚至可以实时探测硬力分布。我们国家高铁目前世界上里程最长,其相关研究,还有大飞机等等很多部件研究,我们相信在散裂中子源上有广泛的应用前景。”中子散射的用途:
以上资料整理自中科院高能所和腾讯视频,仅供参考。