我国最大科学装置进行安装(负氢离子源设备)

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中国散裂中子源工程负氢离子源设备进入隧道安装

来源：《中国科学报》
2014-10-22 09:48:29

据《中国科学报》10月21日报道，中国散裂中子源工程负氢离子源设备顺利进入隧道安装，这标志着——“多能型”科研平台时代到来。

10月20日上午，中国散裂中子源工程前端系统负责人欧阳华甫在隧道里忙碌着。从10月15日负氢离子源设备下隧道安装后，他每天都要在隧道里至少待上8个小时。

“目前，负氢离子源设备和低能传输线设备已经全部进隧道了。这个星期，我们要做的是‘准直’工作。”欧阳华甫告诉记者，所谓“准直”是为了保证工程线上的设备精确无误地放在指定位置。“要保证精确到至少0.1毫米后，才能进行安装。”

10月15日，散裂中子源加速器首个设备投入安装

在探测材料结构、测试材料性能方面，散裂中子源设备都能发挥大用处。“这是一个应用平台，物理学、材料学等几乎所有科研领域，都能用散裂中子源做实验。”中科院高能物理所副所长陈元柏说。

“打头阵”的忙碌者

从2012年12月起，中科院高能物理所就开始与东莞理工学院合作，对负氢离子源设备进行安装调试。至今，欧阳华甫已为此事忙活了近两年。

“从今年年底到明年上半年，都会很忙。”欧阳华甫说。

同样忙碌的，还有陈元柏。10月16日，陈元柏从东莞回到北京，而他上次回来还是两个月前。陈元柏自嘲为“老单身”。他告诉记者，因为要完成散裂中子源项目，他们这些家在北京的研究人员经常在东莞一待就是两三个月。

欧阳华甫告诉记者，准直工作完成后，将开始安装真空系统和前端水冷系统。同时，一些非线上的设备安装工作如电源系统、控制系统、束流测量系统等，会与线上的准直等工作同步进行。

“我们是‘打头阵’的，会遇到一些安装问题。不过，积累了经验后，后面的设备安装就会更顺了。”欧阳华甫笑言。

项目总指挥、中科院院士陈和生告诉《中国科学报》记者，负氢离子源是整个项目设备安装的起点，其作用就是为加速器提供粒子。

中国散裂中子源是我国目前最大的大科学装置，也是发展中国家拥有的第一台散裂中子源，与美国、日本和英国散裂中子源并称为世界四大脉冲式散裂中子源。

“这是我国第一次建设强流粒子加速器，这个工程的建设对我国强流粒子技术来说将是一个跨越式的发展。”陈和生说。

经历“洗礼”“蜕变”“碰撞”

“下个月初就会完成安装工作，并对设备进行调试。”陈和生在接受《中国科学报》记者采访时表示，设备安装、调试可能还会有困难，需要科研人员作好思想准备去克服。

在科学家眼中，该设备就像一台超级显微镜。对于结构未知的材料，设备产生的中子流能探测出材料结构；对于已知结构的材料，中子流能探测出结构中可能存在的异常，测试出材料的疲劳度、应力等。在航天领域，它可用来测试大飞机的材料性能；在生物领域，可用来探测胚胎等组织的结构。

不过，在这个看似简单的过程中，粒子要经历洗礼、蜕变、碰撞一系列过程。

散裂中子源的工作流程示意图

两次“洗礼”让粒子从低能变成高能。“负氢离子出来时，能量比较低，大约在50K电子伏（1K=103）；接着，粒子会进入直线加速器，当它们从直线中出来时，能量在80M电子伏（1M=106）；然后，粒子会进入环形加速器，并被加速到1.6G电子伏（1G=109）。”陈元柏告诉记者。

在直线与环形之间，负氢离子会经历一次“蜕变”。

“负氢离子是多了一个电子的氢原子。在进入环形加速器前，它们会通过一个特殊的膜，把电子剥离掉，变为质子。”陈元柏说。

接下来，高能质子会遇到被称为“靶”的重金属钨。通过两者碰撞，重金属钨会迸发出大量高能量中子。不过，这些高能量的中子还要经过一个装满了液氢的“慢化器”，被减速成为慢中子。

之后，穿透能力很强的中子束流会与样品材料发生碰撞，碰撞后散射的中子会被周围仪器检测到。“因为材料本身的结构形状不一样，碰撞后散射出来的图像就不一样。根据图像，就能反推材料本身的结构情况。”陈元柏说。

仍有20台谱仪待建

在陈和生看来，负氢离子源的安装只是意味着散裂中子源工程迈出了“万里长征的第一步”。

“后面的任务还很艰巨，需要精心设计、精心施工，还要有遇到困难和解决困难的思想准备。”陈和生说。

陈元柏告诉记者，目前一期项目只建设3台谱仪；二期建设中，项目组的工作目标之一就是把20台谱仪都建起来。而所谓的“谱仪”，包括把中子引向样品的导管，能盛放样品、制造极端测试环境的样品台以及探测器、计算机等数据获取平台。

“在建完20台谱仪后，下一步就是要把加速器的功率提升上去。从现在的100千瓦提升到500千瓦。”陈元柏说，加速器的功率会影响产生中子的数量，而中子的数量越多，实验时所用的时间可能会越短。

陈元柏介绍说，在100千瓦的功率下，设备可以产生106的中子束流，但如果能提升到500千瓦，中子束流将提升两个量级，达到108。

此外，由于东莞市为项目提供了1000亩用地，而一期工程使用了400亩，因此项目还在考虑用剩余的600亩地再建一台加速器设备，建成一个中微子实验工厂。

2018年建成后，它将为我国物理学、纳米科学、生命科学、化学、材料科学、医药学等众多前沿学科提供一个功能强大的研究平台。