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中国散裂中子源:“把脉”材料的微观结构


时间:2017-08-29 作者:
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通过散裂中子源的实验,研究人员便可知道所检测的样品中“封印”了多少残余应力,还可通过模拟实验,得知材料所能承受的极限应力,预知材料的寿命。如此一来,前文所述的德国动车事故便可有效地避免。

如果工程师想知道某个部件对外力的耐受力,还希望了解使用不同材料和加工工艺生产出的部件,哪一种使用寿命更长,将中子散射结果与计算机模拟相结合,就有助于找到这些问题的答案。

张书彦告诉南方日报记者,她2016年初回国创建东莞材料基因高等理工研究院的主要目的之一,就是要在中国进行散裂中子源设计并建设一台工程材料中子衍射谱仪,以解决国内在材料设计、加工和装备制造及服役性能等领域的类似问题。如今东莞材料基因高等理工研究院已经和中广核集团签订了合作协议,去年8月有了第一份技术合同,正筹备共建“核电应力工程技术研发中心”。

中子散射数据还在获取液体分子结构的过程中发挥着重大作用。如制药行业就需要用到这项技术,药物成分主要是从某些有机溶剂中提取的,而有机溶剂的易挥发和易燃性又牵引出安全生产问题,最终导致制药化学废弃物的处理成本很高。研究人员通过中子散射技术,寻找到新手段,使化学物更容易处理,同时减少废弃物的产生,从而大大降低了废弃物的处理成本。

当前国内中子散射技术领域发展迅速,对中子散射技术的研究和应用的需求发展很快,中子散射领域的用户群体每年都在显著增加。811日上午,中国科学院院士、高能物理研究所所长王贻芳和东阳光集团董事长张中能签署了中国散裂中子源首个产业化项目——硼中子俘获治疗(BNCT)项目。BNCT是一种利用中子射线照射进行肿瘤治疗的技术,能够有效杀死癌细胞而不损伤周边组织,具有安全性高、定位精确、价格相对低廉等特点,该项目有望在未来5年内开启全国治疗肿瘤疾病的新时代。

3 建中国人的散裂中子源

20012月,在由国家科学技术部(原国家科委)发起的香山科学会议上,专家们提出在中国建设散裂中子源的设想。经过10年的调研、筹备之后,20111020日,中国散裂中子源在广东东莞开工建设。

中国散裂中子源是迄今为止,我国单项投资规模最大的国家重大科技基础设施,其工程费用约为23亿元,除国家投资的18.6632亿元建设主装置区外,广东和东莞两级政府共投资5亿元建设辅助装置区,同时配套建设“中子源路”。

中国散裂中子预期寿命超过30年,媲美世界其他三台散裂中子源装置——英国的ISIS、美国的SNS和日本的JPAC。中国科学院高能物理研究所对建设大科学装置有丰富的经验。建设中国散裂中子源的任务,也落在了研究所专家肩上。

“这么大的装置过去没做过,挺复杂的。”陈元柏说,在建设之初,他们就组织成立了国际顾问委员会,项目推进一直得到全球散裂中子源的专家、领导设计者、具体工作的负责人的支持。尤其是加速器和靶站的设计,“一方面,我们派人出去学习交流,另一方面,请专家来讲课。”陈元柏说。另外,中国散裂中子源项目对所用设备的性能和工艺也有着严格要求。通过不断改进,最终中国散裂中子设备国产率达到96%以上。

目前,世界上的另外三台散裂中子源装置——英国的ISIS、美国的SNS和日本的JPAC都是开放的实验平台,全球的用户可以向散裂中子源装置提出需求,经过用户科学委员会对项目的筛选后,进行顺次排队实验。未来,中国散裂中子源在建成后也会对全球用户敞开大门,每年将接待众多研究者在不同谱仪上展开研究。“我们要做用户宣传,让国内更多人了解散裂中子源的应用”,陈元柏说,中国散裂中子源正在一边建设,一边通过中英牛顿基金积极资助用户去国外三家散裂中子源做实验,用以培养用户。在中国散裂中子源主装置区之外,园区内还有供未来的实验用户住宿的楼宇。

今年9月,中国散裂中子源将输出第一束实验中子束,迈出我国重大科学装置运作的标志性一步。陈元柏说,2018年通过验收后,中国散裂中子源将充分发挥第一期三台谱仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,为用户提供高性能、安全可靠的研究平台。


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