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散裂中子源:窥探物质结构的“超级显微镜” | 走近大科学工程

2019年05月08日15:12  来源:科技日报

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  对于散射的一个形象比喻是:假如我们面前有一道看不见的墙,我们扔过去一个乒乓球,根据球的入射角和反射角我们可判断球的抛入点是不是平的。如果我们扔过去极多的乒乓球,根据入射角和反射角,我们就知道这面墙的情况。

  散裂中子源探测氢氧锂等有天然优势

  以同步辐射为光源的上海光源也曾被称为“超级显微镜”。同步辐射和中子散射尽管都能探究物质的内部结构,但二者是有区别的。中科院高能所东莞分部副主任梁天骄说,同步辐射X射线与原子核外的电子相互作用,散射强度正比于原子序数,对含有电子数目较多的原子敏感,但对探测原子数目较少的原子如氢原子等轻元素就比较困难了。在这方面,中子散射则具有优势。它与原子核相互作用的散射强度与原子序数无关,不仅可区分同位素和相邻元素,也可以区分碳、氢、氧等轻元素。因此,研究含有大量氢、氧、氮原子的聚合物与生物大分子,中子散射具有优势。

  在能源材料领域,氢动力汽车无疑比汽油车更加节能环保。如何实现氢的稳定储存?科学家希望提高氢的存储密度便于携带。最简单的办法是给氢气加压,但加高压就容易带来安全问题。为此,科学家用一种金属—有机框架材料,把氢气吸进去,等用的时候再把氢气释放出来。利用散裂中子源实验就可以帮助科学家了解氢存贮在材料的什么位置,在什么情况下氢可以很好地释放出来。

  锂也是原子序数较小的元素,用同步辐射光源难以看到锂在材料微观结构中的位置。目前,大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,而散裂中子源就是研究锂电池的利器。科研人员可以将锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时地原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分微观结构的变化,构建结构—性能关系,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。

文章关键词:中子源 CSNS 纲要 物质结构 大科学 上海光源 原位测量 探测原子 中子散射 科学问题 责编:徐宁宁
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