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“超级显微镜”——中国散裂中子源

2022年09月06日 09:37   来源: 科普中国

人类对宇宙的探索,既着眼于宏大的太空,也聚焦于微观的世界,于是太空望远镜和光学显微镜得以发明。一花一世界,一叶一菩提,物质世界的秘密太多,但如果连显微镜都看不清,我们又该如何拨开微观世界的云雾呢?

“超级显微镜”——中国散裂中子源或许能给我们答案。

“超级显微镜”——中国散裂中子源

中国散裂中子源(CSNS)是中国首台,世界第4台脉冲型散裂中子源,是国家“十一五”期间重点建设的重大科技基础设施项目,是国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台。

中国散裂中子源

(图片来源:中国散裂中子源工程)

虽然,中国散裂中子源是继英国、美国和日本之后,世界上第四台散裂中子源,但是我国散裂中子源的功率却是英国的4倍,技术指标和综合性能进入国际同类装置先进行列,也意味着中国科学界对微观世界的进一步深入探索又增添了一个“利器”。

脉冲型散裂中子源,简单点来说,它就像一台“超级显微镜”,能在不对物质造成破坏的前提下“看穿”材料的微观结构。一个最直接的应用就是可以探明材料的“内伤”,在研究中子特性能力方面自然也杠杠的。

中国散裂中子源的靶站谱仪的靶心

(图片来源:中国散裂中子源工程)

我们都知道,在这个世界上有很多用肉眼观察不到的事物,所以后来基于对世界进一步探索的需求,科学家们发明了光学显微镜,接着又发明了分辨率更高,能够观察到更小细胞和病毒的电子显微镜。

在脉冲型散裂中子源发明之前,人们都习惯于用这两种显微镜去观察研究细菌、细胞等这些用肉眼不可能直接观察到的微观世界。

而脉冲型散裂中子源的能力比显微镜又更上一层,通过它观察到的世界也更微观,甚至能够绝对清晰地观察到植物根部的一滴水是如何通过动作一点一点地运输到枝叶上的。

脉冲型散裂中子源如何工作?

那脉冲型散裂中子源,为什么能这么细微地探测物质微观结构和运动呢?

其实中子是一种完全不带电荷的粒子,它不是利用X光进行同步辐射的。

每当物质的原子核和中子发生相互作用的时候,并不是所有的中子都能够从中间直接穿过,还有些中子在打算穿过原子核时会被弹飞,出现方向偏离的情况。

这时脉冲型散裂中子源的谱仪就会发挥作用,及时捕捉到飞行轨迹,然后再反推出原子核的内部结构,方便科研人员进行研究。

比如科学家在做水下可燃冰研究的时候,因为深水下的压力太大,需要用很厚的容器壁,其中的氮、碳、氢等轻元素又相对不易捕捉,而能从中穿过,并且对这些轻元素敏感,可以让可燃冰结构清楚分辨出的就只有脉冲型散裂中子源了。

如今,我国脉冲型散裂中子源这种技术已经运用到了检测高铁飞机的安全性和治疗癌症等各方面。

除此之外,在如航空发动机、深海潜水器、高铁轮轴系统等大型工程部件残余应力和服役性能检测,以及半导体芯片、新能源锂电与储氢材料等材料检测上都有很大的作用。

截至目前,中国散裂中子源已经在基础科学研究和国家重大需求领域取得了一大批重要成果,国内外注册用户已超过3400人。

期待这台超级显微镜更多的成果!

出品:科普中国

作者:数字世界

监制:中国科普博览

编辑:李娜   审核:钱洪涛   终审:于衍来

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标签: 中子源  散裂  显微镜  脉冲  中子 

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