FABIE在现场 | 中国超级显微镜,探索微观世界

1发布 · 2020-01-02 09:30 1479

国之重器,深感自豪

近日有幸参观了位于东莞中国迄今最大的国家重大科技基础设施、“国之重器”——中国散裂中子源(CSNS),深感国家强大的科技力量。


中国散裂中子源(CSNS)位于东莞市大朗镇,是国家“十一五期间”重点建设的大科学工程装置,是继英国、美国、日本之后建设的第四个散裂中子源装置,是国际前沿的高科技、多学科的大型研究平台。


作为我国迄今为止最大的科学装置,中国散裂中子源将大大提升我国材料、生命、纳米等学科前沿基础研究和高技术研究水平,缩短我国与世界前沿的差距。


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什么是中子?

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。


什么是中子源?

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。


什么是散裂中子源?

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。


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▲CANS靶体插件


我们知道,中子和质子的质量基本相当,但中子爱走中性路线,它不带电,但有一定的磁矩,就像一个小磁针。如果将一束中子打入材料内部,会发生什么情况呢?


简单来说,会有两类过程。因为中子不带电,电子和质子的电荷将无法阻碍中子前进的步伐,它将会直捣原子的黄龙——原子核并与之发生相互作用,这便是中子的核散射。


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▲利用中子散射探测材料中的原子排布结构(由英国卢瑟福-阿普尔顿实验室提供)


另一方面,中子具有磁性,如果原子本身具有磁矩,那么中子和原子这两个小磁针相遇就会产生磁性相互作用,这就是中子的磁散射。


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▲利用中子散射探测材料中的自旋相互作用(由英国卢瑟福-阿普尔顿实验室提供)


由于核散射和磁散射同时存在,中子成为材料探测的“双面手”,既能研究原子核“在哪里”或“干什么”,也能研究磁矩“在哪里”或“干什么”。


“在哪里”的意思就是能够分辨原子/磁矩的在空间上的具体位置,给出它们的微观排布结构,这是决定材料一切性质的基础;“干什么”的意思就是能够测量原子/磁矩之间的“互动模式”,这是材料的宏观物理性质的来源。


静态结构和动态作用全包圆,这就是中子探测手段最独特最有用的地方。


相比其他微观探测手段,散裂中子源优势多多

中国科学院高能物理研究所所长、散裂中子源工程总指挥陈和生院士此前介绍:“我们知道X射线能‘拍摄’人体的医学影像,而在材料学、生命科学等领域,科学家们更希望有一种高亮度的‘中子源’,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。散裂中子源就是一个利用中子来探索微观世界的工具。”散裂中子源是用高能质子撞击重金属靶,产生极为短暂的高强度中子脉冲,它就像一台超级显微镜,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等微观结构。


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▲中子散射技术的各种应用


相比其他微观探测手段,如X射线散射、电子衍射、红外光谱等,中子散射同样具有得天独厚的优势。


比如X射线散射主要是电子造成的,因此对含电子数目越多的原子越敏感,但欲探测如氢原子等轻元素就极其困难了。中子散射则对同位素具有选择性,其中氢元素的散射最厉害,也最敏感。因此,研究含有大量氢原子的生物大分子,中子散射具有更佳的优势。


电子衍射因为受到电荷相互作用的影响,往往穿透能力有限,需要将测量样品减成薄片,且三维测量精度有一定限制。中子的穿透能力极强,一般来说可以体穿透样品,因此往往不用担心材料的厚度问题。


光谱测量同样可以给出材料中各种相互作用的信息,但很多情况需要根据理论模型拟合来间接推断。中子散射则反映了材料中的直接相互作用信息,最为简单有效。因为中子的强烈穿透能力,它的测量基本上是无损测量,而且对样品表面不敏感,制样相对简单。


在中子入射下,某些金属材料如铝几乎完全透明,因此在中子实验中,可将测量样品置于低温、高温、高压、磁场、应力、电场等各种环境,充分测试样品对外界环境的响应。简单利用中子穿透能力和大尺寸束流,还可以给文物、生物或者精密设备拍照,从而无损地观测到其内部情况,进行考古和其他相关科学研究。比如你可以用中子照相方法观测一滴水是如何从一株植物的根部输运到枝叶上的。


可以说,中子散射是物理、化学、生物、材料等多学科研究的神兵利器。


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在中子入射下,某些金属材料如铝几乎完全透明,因此在中子散射实验中,可将测量样品置于低温、高温、高压、磁场、应力、电场等各种环境,充分测试样品对外界环境的响应。


治疗癌症、检测飞机高铁安全性都离不开它

在癌症治疗中有一种方法叫硼中子俘获疗法。具体地,就是先给癌症患者注射一种含硼(硼-10)的无毒药物,利用它与癌细胞之间很强的亲和力,这种药物会迅速聚集于癌细胞内,而其他正常细胞内聚集的却极少。当药物在癌细胞内“潜伏”妥当之后,利用加速器提供的中子,产生超热中子束照射肿瘤部位,中子就会被癌细胞内的硼所俘获,并在癌细胞内发生很强的核反应,释放出杀伤力极强的射线。这种射线射程很短,只有一个细胞的长度,所以它只杀死癌细胞,而癌细胞周围的正常组织则不会受到损伤。


散裂中子源对于普通人来说另外一个重要的应用,就是它对于飞机、高铁等交通工具的零部件安全性检测的能力。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的使用寿命和安全性。但是,这个应力看不到、摸不着,对它的研究成了避免灾难发生的关键。


现在,科学家已经可以在散裂中子源上研究轮轨和机翼的残余应力,优化机械加工工艺,使高铁和飞机变得更安全舒适。


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重大科技基础设施是国家综合科技实力的重要标志,是增强国家创新能力、参与国际科技竞争的重要支撑,对提升我国科技整体水平和建设创新型国家具有重要意义。建设中国散裂中子源,是顺应世界科技发展态势、优化我国科技基础设施布局、提升科技基础能力的战略举措。


要着眼长远,科学组织,借鉴国际经验,加强科学原理的自主创新和关键核心技术集成创新,加强工程质量控制和过程管理。要集聚一批科研机构、大学和企业,开展跨学科综合交叉研究,拓展高层次国际科技合作,促进产学研用深度融合,形成协同创新的强大合力,建成具有集群效应的国家科研基地。要建立健全富有活力的管理运行体制机制,培养凝聚海内外高端创新人才和工程建设管理人才,不断提升技术支撑和服务能力,实现资源优化配置、开放共享,努力打造世界一流的大科学装置。

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