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中子散射技术及散裂中子源概述 


 
较之光子或电子散射方法,中子散射技术在揭示物质微观结构及其动力学过程方面有其独到的优势。如中子极强的穿透性使得在多种极端条件下探测样品成为可能,并且易于检测大型工业部件;中子的固有磁矩是揭示材料微观磁结构磁涨落的强有力手段;中子波长与物质中原子间距相近,是度量物质微观结构最适合的标尺,其波长覆盖了从氢原子到生物大分子的宽广范围,相应的能量区间最适于研究这些物质中的各种相互作用和动态过程,从分子振动、晶格振动到电子跃迁;中子对轻元素和同位素十分敏感,对被测样品扰动小且无破坏性,因此是研究具有活性的生物样品的强有力手段,有利于研究微观结构的细微变化,等等。

 
中子散射技术所依赖的中子源有两种主要的实现途径,即基于反应堆的中子源和基于质子加速器的散裂中子源。前者通常是时间连续的,后者则是脉冲的。两者各有优点,在应用上具有互补性。比较而言,散裂中子源具有一些独特而优异的性能,主要包括:随着近年来强流质子加速器技术的发展,使获得较反应堆中子源高一到两个量级以上的有效中子通量成为可能,如束流功率达102-103kW,这也是世界各国着力发展和建造散裂中子源的最重要原因之一;可提供丰富的高能短波长中子,以保证高Q值、高能量转移的中子散射需求;可实现低本底中子散射数据的获取,信噪比大为提高;无需使用核原料,同时不产生强放射性核废料,等等。

 
高有效通量、宽波段、高信噪比、高效安全的散裂中子源使得中子散射技术的应用领域不断扩大,使过往很多无法涉足的研究领域得以开展,因此被国际上公认为新一代中子源。目前世界上运行的散裂中子源主要有日本的KENS、美国的IPNSLANSCE、英国的ISIS,其中ISIS的有效中子通量最高,且超过ILL一个量级。而在建或计划建设的有美国的SNS、日本的J-PARCJSNS)和中国的BSNS等,其中SNSJ-PARC的设计束流功率均超过1 MWISNSBSNS100 kW。另外,欧盟一直在朝建造10 MW级散裂中子源(ESS)的方向努力。总之,建造高性能散裂中子源已成为二十一世纪世界各主要经济体提高其科技竞争能力的重要步骤。

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BSNS的科学目标 


  BSNS
的总体目标:根据我国的国情、国力和世界相关科技水平的发展状况,争取用六年的时间,建造一台在世界上占有重要地位的束流功率为100 kW、脉冲重复频率为25 Hz的散裂中子源,为我国在物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、新能源开发等学科前沿领域的基础研究和高新技术开发研究提供一个先进、功能强大的科研平台。并可望在诸如高温超导机理的全面认识和新型高温超导材料的发现;氢离子行为的凝聚态物理新理论;量子调控与自旋霍尔现象的认识;DNA分子识别的纳米自组装;膜蛋白与细胞新陈代谢;蛋白质相互作用等一系列领域获得重大的突破。

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BSNS的先进性 
  BSNS
装置的先进性主要体现在拟采用的设计方案、技术途径及其性能指标等几个方面。

 
在总体方案上:采用国际上新的加速器技术以及相对较高的质子能量(1.6 GeV)和较低的束流流强降低加速器的建设投资和难度;相对较低的25 Hz脉冲重复频率大幅提高有效长波中子通量和中子利用效率;扁平片状包钽钨靶设计有效提高中子产额和靶寿命超镜中子导管和立体分布多探测器系统等谱仪设计提高中子的利用效率和谱仪分辨率。

 
在技术途径上:直线加速器的低能端采用射频四加速器(RFQ)结构,漂移管直线加速器段采用较高的射频频率;快循环同步加速器的磁铁采用性能优越的直接水冷绞线线圈,真空系统采用新型陶瓷真空盒,国内外近年发展的固态调制器也有可能用到引出冲击磁铁上;靶站中内含低能中子吸收体的退耦合液态甲烷慢化技术和靶站维护的遥控操作系统;谱仪中的弯曲导管技术,极端条件和控制技术以及海量数据处理等计算机技术。

 
在性能指标上:以100 kW束流功率获得2.5×1016 n/cm2/s的有效中子通量,这样的有效中子通量将使BSNS处于国际前列;BSNS设计的最小可测量样品量在毫克量级,最短测量时间在分钟量级,能满足各学科90%以上的研究需求;一期拟建谱仪7台,到二期建设结束共计装备各类谱仪18台。 

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BSNS建成后的国际地位 
 
BSNS如期建成并投入运行,其有效中子通量届时将位于世界第三,超过目前英国的ISIS,为MW量级的美国SNS和日本J-PARC的四分之一,可以保证我国在中子散射多科学领域的先进地位,实现预期的科学目标。BSNS二期工程束流功率提升到200 kW后,其脉冲中子通量将再提高一倍。与MW级的SNSJ-PARC相比,只有极小部分课题如超薄膜、快速反应和快速相变过程等不能在BSNS开展。BSNS及时启动,将成为发展中国家的第一台散裂中子源。 

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BSNS建设总体方案 
 
根据BSNS系统构成,一期的主要建设内容包括:一台负氢离子直线加速器、一台同步加速器、一个靶站、7台谱仪、辐射防护系统以及与之配套的主体建筑、办公楼、生活楼、园区道路、动力系统、供水、空调等设施。

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加速器
 
加速器是散裂中子源的基本组成部分之一,其性能和运行稳定性决定着整个装置的主要指标和使用效率。加速器将采用较低能量直线加速器与快循环同步加速器的组合结构。在同等束流功率的条件下,其造价比全能量直线加速器与累积环的组合结构(如美国的SNS)低,并且易于实现进一步升级。

  BSNS
采用低能直线加速器后接快循环同步加速器的方案。离子源(IS)产生的负氢离子(H-)束流,通过射频四加速器(RFQ)聚束和加速后,由漂移管加速器(DTL)把束流能量进一步提高到80MeV,然后,在剥离成为质子的同时,注入到一台快循环同步加速器(RCS)中,在RCS中将束流累积然后加速到1.6 GeV ,一次引出打靶产生高通量中子。BSNS加速器系统打靶的重复频率为25Hz,一期设计打靶束流功率为100kW,经过一段时间运行后,可以根据需要,通过提高直线加速器能量到130kW,将RCS中束流加倍,使打靶束流功率提高到200kW

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靶站
 
靶站是BSNS建设的又一基本组成部分,是将加速器加速的高能质子转化为高能中子,并通过慢化器将其能量调整为适于中子散射研究的慢中子脉冲的核心设施。它主要由高能质子入射窗口、多片钨片叠成的靶体(含冷却系统)、高能中子慢化器(含冷却系统)、铍钢反射体(含冷却系统)以及铁/混凝土生物防护屏蔽体(含18个中子束流孔道和束流孔道开关装置)等五个部分组成,并且充分考虑了系统长期运行、维护和维修的需要。

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中子散射谱仪
 
中子散射谱仪是多学科用户从事各种研究工作所涉及到的最直接的实验的装置,是散裂中子源最主要部分之一。BSNS谱仪将覆盖60%以上国家重点基础研究发展规划优先支持的领域,同时还将直接服务于国内工业界。

 
参照目前国内外散裂中子源多学科应用的现状和未来发展的需求,将在18条中子孔道上分两期建设谱仪共计17台,其中一期计7台,涵盖6类最常用的中子谱仪,即粉末衍射仪、单晶衍射仪、小角衍射仪、反射仪、直接几何非弹性散射谱仪和逆几何非弹性散射谱仪。另有一条中子孔道将用于中子科学研究。

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辐射防护与安全
 
保证BSNS处于辐射安全的状态下运行,是其能够充分发挥作用,成为多学科领域研究平台的重要前提条件之一。因此在设计和建设中采取有效的技术途径和手段,按照国际标准,确保系统运行人员、研究人员以及周边环境的安全是BSNS建设的重要内容之一。

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土建和公共设施 
 
土建和公共设施是BSNS的重要组成部分,在地基基础和结构构造处理、工作环境、抗震防振、通风、辐射防护、气体和液体储存输送、给排水、供暖、供电、工艺平面布局等诸多方面有许多特殊要求。首先需落实选址和地质调查,再根据工艺设备要求进行基本建设。建设内容包括隧道建筑、实验工艺楼、办公楼、生活用房等;安装工程包含给排水、供电系统、内外循环冷却水系统、通风和空调系统、吊装天车和装卸设施等。同时,BSNS的基础设施建设还须考虑为今后的二期工程发展预留一定的空间。

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BSNS建设进度计划设想 
2006/01
2007/12: BSNS预制研究

2008/01
2011/12: BSNS主体建设

2016/01
2025/12: BSNS升级改造

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BSNS建成后的科学和社会效益 

1提供国际一流的中子散射实验平台 

  BSNS
提供波长从埃到亚微米、能量从微电子伏特到电子伏特的宽波段的强流中子源。建成后,必将成为新世纪我国多学科前沿研究和高新技术开发的基地,影响和推动众多学科的知识创新和技术发展,是一项对我国总体科技发展具有很强的先导性和综合性的大型基础平台设施,将广泛应用于凝聚态物理学、化学、材料科学、生命科学、环境科学、信息科学、核物理、核医学等学科领域的基础研究。科技界普遍认为,高有效中子通量的散裂中子源的建造将在以上学科领域研究中产生不可估量的影响,特别是在有可能实现重大突破的领域如纳米材料、蛋白质相互作用、高温超导机理、氢离子运动、自旋量子控制等方面。 

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为不同学科间的渗透和交叉创造条件 

  BSNS
将是国际一流的中子散射实验平台,应用覆盖广,可容纳几百名来自全国各大学、研究院所或其他部门,甚至国外的科学家和工程师从事不同学科领域的研究工作。BSNS本身也需要两三百不同学科领域的科学家、工程师和技术人员同心协力地在一起工作,保证BSNS在最佳状态运行,帮助用户正常使用,以实现其研究目的。全部建成后,BSNS将每年接待上千名研究人员在不同的谱仪开展研究工作。BSNS将创造一个相互交流的机遇、环境和舞台,他们在此相互影响,相互启发,相互借鉴,萌发新思想,产生新方法,从而实现不同学科之间的相互渗透、相互交叉和相互融合,开辟新领域,创建新学科,促进我国的科技腾飞。 

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推动我国相关高新科技产业的发展 

  BSNS
的成功建造和运行,将研发和引进多项世界先进技术。这些技术在我国进一步发展和推广,将大大提高我国相关高科技产业的水平。质子加速器是综合多种高技术,如高频、微波、高精度电磁场、稳定和脉冲电源、超高真空、高电压、精密机械、计算机自动控制、快电子学等的大型设备。靶站的建设有助于我国高能辐射防护保障体系的积累经验和技术,提供各种具有战略意义的各种同位素。中子散射谱仪的建造将引进世界先进的中子光学技术和探测技术,包括各种形态的中子导管、中子光栅、位置灵敏探测器、新型快电子学和海量数据传递和处理等。上述技术都是具有战略意义的高技术,BSNS的建设将直接促进了上述相关高科技研究和工业的发展。 

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社会效应 

 
如前所述,BSNS在机械加工、医药医疗、石油化工和生物工程等行业中有着重要的应用,其成果不仅能为工业企业带来丰厚的利润,也能为人们带来安全、舒适、健康的生活。除此之外,大科学工程对社会的影响是多方面、多层次的。BSNS的建设是一种民族自尊、自信和自强的体现,是显示国家综合实力的一个窗口,展现了我国在高科技领域自立于世界民族之林并占有重要地位的决心和意志。BSNS将成为爱国主义和科学普及的基地,影响和教育青少年,增强他们的民族自豪感和富民强国的决心。BSNS也将成为国际科技合作的平台,增加世界各国人们对我国改革、开放和发展的理解和支持,增强我国国际影响力。

  

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