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歐洲散裂中子源與HighNESS:改寫(xiě)科研未來(lái)的探索

來(lái)源: 嘿嘿能源與科技PowerTech 發(fā)布日期:2025-01-20

位于瑞典隆德的歐洲散裂中子源(European Spallation Source,簡(jiǎn)稱ESS),承載著科研領(lǐng)域的重大使命,旨在成為世界最明亮的中子源。


在現(xiàn)代科研體系中,中子源扮演著舉足輕重的角色。中子作為一種不帶電的粒子,能夠深入物質(zhì)內(nèi)部,與原子核相互作用,從而揭示物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性。在材料科學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域,中子散射技術(shù)都是不可或缺的研究手段。


例如,在材料科學(xué)中,通過(guò)中子散射可以研究材料的晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)以及材料在不同條件下的微觀變化,這對(duì)于研發(fā)新型材料,如高溫超導(dǎo)材料、高強(qiáng)度合金等至關(guān)重要;在生命科學(xué)領(lǐng)域,中子散射能幫助科學(xué)家了解生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能,為藥物研發(fā)和疾病治療提供關(guān)鍵信息。


ESS在建設(shè)的第一階段,用戶將能夠使用15臺(tái)儀器。這些儀器的中子產(chǎn)生依賴于位于散裂靶上方的蝶形慢化器系統(tǒng)。慢化器的作用是將散裂反應(yīng)產(chǎn)生的高能快中子減速為低能熱中子或冷中子,以便用于各種實(shí)驗(yàn)研究。在這個(gè)階段,蝶形慢化器系統(tǒng)為用戶提供了開(kāi)展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的基礎(chǔ)條件,推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的初步發(fā)展。


而HighNESS項(xiàng)目,由歐盟“地平線2020”計(jì)劃資助,為ESS的發(fā)展注入了新的活力。該項(xiàng)目旨在為第二臺(tái)慢化器提供全新設(shè)計(jì)。這臺(tái)即將位于散裂靶下方的第二臺(tái)慢化器,意義非凡,它將成為世界上最強(qiáng)的中子源。從行業(yè)發(fā)展的角度來(lái)看,這一舉措是對(duì)現(xiàn)有中子源技術(shù)的重大突破。目前,全球范圍內(nèi)雖然存在多個(gè)中子源設(shè)施,但提高中子源的強(qiáng)度和性能一直是科研人員不懈追求的目標(biāo)。更高強(qiáng)度的中子源意味著能夠進(jìn)行更精確、更深入的研究。


新的慢化器在冷中子、超冷中子和極冷中子能區(qū)提供更高強(qiáng)度的中子,這將極大地推動(dòng)凝聚態(tài)物質(zhì)多個(gè)領(lǐng)域的研究。在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域,研究材料的量子特性、電子結(jié)構(gòu)和相變過(guò)程等,需要高精度的實(shí)驗(yàn)手段。

冷中子和超冷中子能夠?qū)Σ牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行更細(xì)致的探測(cè),有助于科學(xué)家深入理解高溫超導(dǎo)、量子磁性等復(fù)雜物理現(xiàn)象,為開(kāi)發(fā)新型量子材料和量子器件奠定基礎(chǔ)。在納米材料研究中,極冷中子可以用于研究納米尺度下材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),幫助科研人員開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異的納米材料,應(yīng)用于電子、能源、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。


此外,新慢化器也為基礎(chǔ)物理學(xué)提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。在基礎(chǔ)物理學(xué)研究中,對(duì)中子的特性和相互作用的深入研究有助于揭示宇宙的基本規(guī)律。例如,通過(guò)研究中子的衰變特性、中子與其他基本粒子的相互作用等,可以驗(yàn)證和完善現(xiàn)有的理論模型,探索新的物理現(xiàn)象。這對(duì)于理解宇宙的起源、物質(zhì)的基本構(gòu)成以及自然界的基本相互作用具有重要意義。


HighNESS項(xiàng)目的第2工作包專注于通過(guò)為中子學(xué)計(jì)算提供核數(shù)據(jù)支持并改進(jìn)配套物理軟件來(lái)支持第二臺(tái)慢化器的設(shè)計(jì)。


核數(shù)據(jù)是中子學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ),精確的核數(shù)據(jù)能夠確保慢化器設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。在慢化器設(shè)計(jì)過(guò)程中,需要準(zhǔn)確模擬中子在各種材料中的散射、吸收和慢化過(guò)程,這就依賴于大量精確的核數(shù)據(jù)。同時(shí),改進(jìn)配套物理軟件也是至關(guān)重要的。先進(jìn)的物理軟件能夠更高效地處理復(fù)雜的中子學(xué)計(jì)算問(wèn)題,優(yōu)化慢化器的設(shè)計(jì)參數(shù),提高慢化器的性能。


從行業(yè)發(fā)展來(lái)看,這一工作包的研究成果不僅對(duì)ESS的第二臺(tái)慢化器設(shè)計(jì)有直接幫助,還將推動(dòng)整個(gè)中子學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展,為其他中子源設(shè)施的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考和借鑒。隨著科研的不斷深入,對(duì)中子源性能的要求會(huì)越來(lái)越高,而HighNESS項(xiàng)目的研究工作為未來(lái)中子源技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。


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