博文
科学的引擎——带您了解大型科学技术装置：散裂中子源(四)
|
这里介绍一个对于中国科技界不是非常熟悉但却有着无限潜力的重要的科学研究平台和手段：中子探测和散裂中子源。
前面讲同步辐射（X射线）光的探测方法是一种很好的科学研究的手段，为何还要中子探测和散裂中子源呢？当我们了解了中子探测有哪些独特的优点之后，就会明白，中子探测是与同步辐射方法相互补充的同样优良的探测物质结构组成的方法。
水平有限，就三个方面问题进行简要介绍：
1.中子探测相对于同步辐射的特点和优势，为何使用中子探测。
2.中子探测原理和国内、国际著名的散裂中子源装置。
3.中子探测和散裂中子源能够应用的学科和前景。
---------------
首先看几个中子的特性。
可以看出：
中子不带电荷，所以穿透性好，可做无损探针，且可在恶劣环境中工作；
中子带有磁矩，有自旋，可以研究磁性物质结构和原子的方向性和极化特性；
中子波长与晶格尺寸相当，可研究晶体结构、电声作用等固体和材料物理问题；
中子体积质量与质子相似，因此对含氢物质和轻物质敏感，对同位素的分辨率也很高。只有核子作用，故可以直接探测原子位置。
……
这些特性决定了中子探测与X射线探测有很大区别，也即两者可以互相补充。
例如……
左图中，同步辐射X射线测定蛋白质晶体结构的骨架，而用中子探测到与蛋白质结合的水分子的位置，两者完美的结合。
右图中，高温超导材料里面的SuperStar——YBCO（钇钡铜氧）的晶体结构由同步辐射X射线测定，而氧的位置和占有率由中子散射探测到（橙色部分）。
由此可见，中子散射方法是探测物质结构组成的另外一种行之有效的方法。世界上各个科技大国都在争相大力发展中子探测技术。
可是中子探测技术的原理是什么呢？我们怎么样得到人工可控的中子束流呢？以及怎样来实施我们的探测实验呢？
事实上，最早产生中子是在核反应堆中，但很明显核裂变产生的种子数非常有限。近几十年发展出来了“散裂”中子技术，即当一个中等能量的质子打到重核（钨、汞等元素）之后会导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核“裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源（Spallation Neutron Source）
值得一提的是，散裂中子源与同步辐射往往建在一起，可以使得实验人员更方便地使用两个装置来得到互为补充的更多的信息。
目前国际上主要有三座大型散裂中子源装置，分别是英国的ISIS、日本的J-PARC以及美国的SNS。
其中ISIS（左图）紧邻英国的同步辐射装置DIAMOND，在布局上形成了两种装置的完美结合；
J-PARC（右图）位于海滨城市东海，由KEK和日本原子能机构JAEA共同承建，既做粒子物理又做基础科学研究，它旁边有日本的“超级神冈”中微子实验项目，就是由J-PARC发射中微子到300公里外的“超级神冈”探测器；
由美国六大国家实验室历时7年耗资14亿美金共同建造的SNS坐落在美国橡树岭国家实验室——美国中子研究中心，SNS建成后，美国将自己的国家纳米科学研究中心和国家超级计算中心全部搬到SNS，可见其科学发展战略之重心。
中国也在2008年9月28号——国庆之前——正式批准了中国散裂中子源计划CSNS，预计2015年前后在广东省东莞市新开发区某处建成，耗资17亿人民币。之所以选择那个好地方，主要是因为第一那里太有钱了，第二那里有钱却没有科学，所以希望来点文化鸡汤，将珠三角地区劳动密集型产业结构改变为知识密集型产业结构。
可惜了那位昌平的管事的说的那句：“我没看到这个东西对我们有什么价值……”
一铲子都没动呢，就不发“想象”图片了。但研究成果还是很多的了。
散裂中子源对生命科学、化学、凝聚态物理、材料科学、工业等自然科学和社会生活诸多领域都有着不可想象的推动作用。
例如：
新型能源－可燃冰、储氢材料；
航空器材－大型客机材料；
汽车工业－电动环保汽车电池；
医疗技术－骨胶、新药研发；
治病－老年痴呆病，基因治疗；
生物－人类基因图，DNA和蛋白质结构；
计算机存储－巨磁电阻性材料；
石化工业－原油分析、燃油添加剂效率；
文化遗产－考古；
航天辐照地面模拟；核爆模拟；核废料处理；质子、中子治癌；
……
几个工业例子：
欧洲空客A380机翼材料在英国散裂中子源ISIS上检测、研发；
日本SONY、PANASONIC公司利用日本原散裂中子设施KENS研发锂电池；
美国BP-Amoco研究燃料的离子导电体，IPNS上研究汽车尾气的有效催化排放；
加拿大铝业界研究易拉罐材料性能；
Exxon 研究高分子及石化产品；
法国政府研究地下水腐蚀对核废料存储的影响；
日本TOYOTA、HONDA、NISSAN公司投资新散裂中子设施J-PARC的muon介子散射站；
最后科学与技术是永远相互依存相互进步的。科学活动本身需要强大的技术实力做保证，技术的革新则直接来自于科学的深入。你是否准备好了，利用最先进的技术获得最有影响力的科学成就？
呵呵~
及网络
https://blog.sciencenet.cn/blog-200301-206319.html
上一篇：科学的引擎——带您了解大型科学技术装置：同步辐射(三)
下一篇：昨晚的科幻梦
