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中国散裂中子源的前缘今生

作者:计算机信息
出处:www.lunrr.com
时间:2020-03-05

作者:倪思杰来源:中国科学新闻,发布日期:2018/8/29 10:23:19

选择名称:萧中

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中国散裂中子源前沿,中国科学院高能物理研究所拍摄的《此生

中国散裂中子源航拍》

■本报记者倪思杰

“经过六年半的建设,中国散裂中子源已正式通过国家验收。”8月23日,好消息来自中国东莞的散裂中子源。

这是中国第一台散裂中子源装置,也是世界第四台。“六年半”只是“中子工厂”建立和开放之间的时间。这不是它唯一的旅行方式。它的步伐永远不会停在这里。

建基十年前,

2010年期间,东莞大朗镇萍萍村一片孤寂的荔枝林中经常出现一辆运鱼车。这辆车每天晚上负责拉鱼,白天把几个温文尔雅、学者般的人拉进荔枝林。

荔枝林附近只有几户人家听说这里要建一个花园,但他们不知道这个花园是什么意思。

建造中国散裂中子源的提议源于20世纪90年代末对中国高能物理发展战略的研究。中国科学院高能物理研究所和中国原子能研究所的高级科学家指出,建设散裂中子源是国家科技发展的需要。目前,最早明确提出建设散裂中子源的书面报告是1999年2月HEPA的发展战略。

1999年9月,高能物理研究所和原子能科学院向科学技术部提交了建造散裂中子源的提案。2000年8月,两个单位正式提出国家重大科学项目建议“多用途中子科学装置脉冲强中子源”。

正如医院里的x光可以拍摄人体内部结构一样,中子源也可以拍摄物质的微观结构。中子是不带电荷的。当中子束击中研究中的样品时,大多数中子将毫无阻碍地穿过样品。然而,一些中子会与研究对象的原子核相互作用,并在它周围“散射”。通过测量中子散射轨迹及其能量和动量的变化,可以准确推断出物质的结构。

不同之处在于中子不容易获得。在正常情况下,中子被原子核紧紧地束缚着。自然界中的自由中子寿命高达15分钟,不易收集。结果,科学家们考虑建造一个“中子工厂”来连续生产中子。

由于成本高、技术复杂,只有英国、美国和日本有散裂中子源。散裂中子源可以为材料科学、生命科学、新能源等许多领域的基础研究和高科技发展提供强大的研究平台。探索前沿科学问题,攻克行业关键核心技术,解决“瓶颈”问题,意义重大。中国散裂中子源项目总指挥兼项目经理陈和生说。

在中国科学院的支持下,初步研究开始了。此后,“中国散裂中子源”被写入国家“十一五”科学仪器建设规划。高能物理研究所和中国科学院物理研究所的科学家开始设计和预制研究,并开始定位散裂中子源。

“初步的工作条件非常困难。几位老同志经常上山视察现场。由于财政拮据,他们租了一辆运鱼车,每天在工地上穿梭。每个人下班后都会闻到鱼的味道。”陈和生回忆道。

就在运鱼车频繁上山的一年后,荔枝林中大约402亩的山区被夷为平地。2011年10月,总投资23亿元人民币的中国散裂中子源装置奠基。

项目建设用光了“中国速度”

在“中子工厂”,中子是通过高频电磁场将质子加速到光速的0.9倍,然后用质子束作为“子弹”轰击重金属目标而产生的。在金属目标的原子核被质子和中子击昏后,科学家通过特殊装置收集中子。

中国散裂中子源公园地下约18米,有一条总长度超过600米的隧道。在这个隧道里,有一个80兆伏的负氢离子直线加速器和一个16亿电子伏的快速循环质子同步加速器。

这些巨大的设备不能容忍任何错误。到目前为止,中国散裂中子源项目副经理、加速器技术部主任傅士年仍然记得加速器真空室的安装过程是如何“磨刀人”的。

真空室中有156个零件,安装误差不能超过30微米。一开始,工程团队一天24小时两班倒,完全被解雇了。半个月后,很难将它安装到第六部分。工程人员突然发现,如果标准测试时间延长,可能会发生漏气。因此,他们决定拆除并重新安装前部零件,即使它们已经达到测试标准。

“我们不能放过一个可能的问题。只有当我们确信没有问题时,我们才能坚定不移。”傅士年说。

更让人“磨人”的是2014年加速器隧道建设中的一次事故。今年4月,连续几天的暴雨造成直线加速器隧道严重渗水。为了彻底解决渗水问题,必须在直线加速器隧道外修建防水隧道。这使土建工期推迟了一年多,设备安装进度也相应推迟。

事故发生后,项目管理部决定在国家承诺的项目竣工日期“后墙不倒”,立即开始层裂中子源通用设备与土建工程的交叉平行施工。首先,安装并调试地面大厅,测试设备最初安装在隧道内。隧道完工后,被移至隧道进行重新安装。这大大增加了安装和调试的工作量和难度。

几百天几百夜后,工程队赶回施工期。"即使在除夕,我们也是在隧道里度过的。"回忆那些日子,傅士年的语气充满自豪。

2017年底,在国际散裂中子源咨询委员会年会上,外国专家感叹散裂中子源项目建设的“中国速度”:“很难想象你在短时间内完成了这么多工作。”

技术创新成就“中国计划”

项目是挑战,技术也是挑战。

快速循环同步加速器遇到新的技术难题。“当时,中国还没有为速度过快的环同步加速器开发出25Hz交流磁体。我们询问了美国和日本研究机构的专家,但他们只知道科学设计。关键技术掌握在大型外国公司手中,不能告诉我们。”傅士年说。

结果,研究人员和工厂技术人员咬紧牙关,共同解决了关键问题。经过无数次失败后,合格的磁体终于研制出来了。研发团队还提出了谐振电源的谐波补偿方法,解决了多个磁体之间的磁场同步问题,其效果优于日本散裂中子源。

不仅如此,陈和生说,散裂中子源的“眼睛”中子探测器的核心技术也被外国所掌握。在解决关键问题后,研究人员开发了具有自主知识产权的探测器,其性能达到了国际一流水平。

目标站也面临技术挑战。“中子工厂”生产中子的关键是“打靶”,打靶是否打得好直接决定了工厂的生产效率和质量。"当时,这样一个目标站的设计在中国几乎是“零体验”. "中国散裂中子源实验部副主任梁天骄告诉《中国科学报》记者。

自2004年梁天骄加入团队以来,他经历了目标站设计的四次重大调整。直到2010年,基本确定了靶站的物理设计方案,最终采用了平坦的钽钨片靶来提高有效中子产生效率。

2017年8月28日10: 56: 18,中国散裂中子源成功瞄准并输出第一束中子,从此中国拥有了自己的散裂中子源。

现在,中国的散裂中子源已经顺利通过国家检查,但他们不打算停止。“中国散裂中子源将不断改进和提高装置的性能,尽快开始后续光谱仪的建设和功率升级,扩大用户群。”陈和生说。

他们计划提高中子生产能力,完善样品环境,培训更多用户,制造更多光谱仪.在他们心中,中国的散裂中子源刚刚迈出第一步。

《中国科学报》 (2018-08-29第一版集锦)

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