🕔 🏘️ 🥥 欧洲裂变源 👨🏿‍⚕️ 👅 🏜️

当今正在建设的最有趣的科学巨型工具之一是欧洲散裂源（ESS），目前正在瑞典隆德建造。这种加速中子源被包括在与中子物理有关的新设施的“四大”中：MBIR，JHR反应堆以及IFMIF / EVEDA和ESS 加速器反应堆。

ESS实验室建筑的建筑概念之一

但是，与研究与核能和热核技术有关的高功率中子通量中的物质特性的前三个方法不同，ESS旨在利用中子对物质的特性进行细微的研究。冷中子和超冷中子是一种非常强大的探测工具-无电荷，易于穿透样品，并且先进的检测和处理信息方法使我们能够研究原子级的许多静态和动态现象。

类似ISIS加速器源的中子衍射仪。黄管是测量中子通量的中子探测器，

今天我们将主要讨论ESS的工程学方面以及最新获得的中子物理学的应用。
首先，回到标题“欧洲分裂（盐分）来源”。当高能粒子从目标原子“切割”出少数质子和中子时，物理学家称之为盐化过程。这种分裂或分裂的结果是强大的中子通量（质子在目标材料中被抑制）。这种方法可使您获得的中子亮度是功能最强大的反应堆的十倍，以及某些芯片（例如有时需要物理学家对时间流及其间断进行轮廓分析）的信息。

中子作为探测辐射的不同应用。

这样的消息来源能提供什么？事实是，中子是研究纳米级物质的独特探针。这些不是带电粒子，这意味着它们很容易穿透任何材料-轻聚合物或重钢。然而，中子由于与原子核和磁矩的相互作用而散开，这意味着观察衍射图可以使我们了解复杂晶体，聚合物和其他规则结构的内部结构。中子光谱法可让您追踪动态过程-例如许多生物分子过程，材料对原子团规模的机械负载的反应，锂离子电池的电化学过程，甚至是焊接过程中的热化学过程等意外事件。此外，中子具有磁矩，通过中子的极化，可以观察到许多磁量子效应-例如，过渡到超导状态，自旋现象，量子液体等。如今，中子物理学已广泛用于分子生物学的应用研究，新材料的创造，电池和数据存储系统性能的改善，半导体技术以及新超导体的开发。在这种情况下，主要使用热，冷和超冷中子。改善电池和存储系统的性能，半导体技术以及新型超导体的开发。在这种情况下，主要使用热，冷和超冷中子。改善电池和存储系统的性能，半导体技术以及新型超导体的开发。在这种情况下，主要使用热，冷和超冷中子。

用中子方法研究工作的锂离子电池中元素分布的一个例子。

最后，“中子活化分析”是一种无损方法，由于原子的活化（吸收中子后转化为放射性同位素）和随后的伽马射线光谱研究其衰变，因此可以精确确定样品的成分和其中杂质的空间分布，该方法与上述方法略有不同。

欧洲在60年代和70年代建造的反应堆已经过时，并且由于其失效而纯粹物理老化，这可以解释欧洲对新型高科技中子源的需求。

中子的不同来源：绿色放射性同位素，蓝色反应堆和红色加速器。

现在让我们看一下ESS的工程本质：将

科学复合体分为3个部分：一个具有22个位置的实验室，用于放置提取了中子束的科学仪器；一个Monolith目标复合体，在其中生成，冷却和分配中子，而Linac加速器将质子加速到目标他们在那里“中子化”中子。

在ESS复杂渲染的中间，一个600米长的线性加速器伸展，靠在目标实验室大楼的右侧

ESS线性加速器以脉冲模式运行，每秒使质子凝结加速14次。输出处的质子能量为2 GeV，束流通过时的加速器功率可以达到125兆瓦（平均而言，光束中只有5兆瓦的能量，加速器本身消耗的能量为19兆瓦）。目前建立的建造此类设施的方案意味着将其分为离子源，预备的“温暖”部分和超导主促进剂。需要超导部件来产生更大的加速场强度-因为随着加速，质子更快地通过装置，并且将能量传递给装置的时间更少。 ESS加速器是一根长602米的真空管，上面装有加速，聚焦和控制元件。

施工现场ESS。在框架的中间，您可以看到一条长隧道，加速器和微波能源的建筑物以及加速器

低温复合体将位于该长隧道中。3.9米长的中能束流传输（MEBT）的下一个聚焦结构与加速器部分匹配，采用了经典的漂移管直线加速器漂移管技术（ DTL）。在此，质子能量从3.6 MeV增加到90 MeV，该部分的长度为32米。加速也会通过电磁场发生。

带有漂移管的线性加速器的特征视图。

实际上，所有现代的“大型”加速器都使用相同的方法来利用相控电磁场来加速带电粒子，该相控电磁场由强大的无线电管（通常是速调管）激发。然而，已经发明了许多结构来传递直接加速的物质的能量，最重要的是，不要混淆它们。

例如，这种双辐谐振器将在ESS加速器超导部分的第一级中使用。

在加速器的第一部分中获得足够的能量后，质子进入超导铌谐振器系统，该系统分成频率不断增加的几组。超导电性可以使您以最小的损耗获得最高的电磁场强度。在超导模块中，主加速度发生-从90到2000 MeV。谐振器是几种类型的复杂形状的空腔，其中集中了非常高的张力（高达40兆伏/米）的电磁场，将加速电势支持在加速器的15-20 MeV /米的水平。

真空低温恒温器，其中装有用于测量质子束质量的类似谐振器和辅助仪器

两频带和椭圆形谐振器连接到峰值速差约为140兆瓦的脉冲速调管组，整个系统以纳秒精度进行调谐，以沿直线加速器产生电磁场的准确分布。加速器通过后，每个质子束的能量都接近2000 MeV，持续时间约为1毫秒，脉冲电流为62 mA，重复频率为14赫兹（即质子为每71.4个中的1 ms）。

ESS元素的总体布局及其成本。

这束光以接近光速的速度撞上一个特殊的目标-一个直径为2.5米的4吨钨轮，由36个小叶组成，并以这样的速度旋转，使每个下一个质子脉冲都落入下一个小叶（即在2.5秒内旋转大约1圈）。

目标轮ESS。顺便说一句，这种源的目标通常是带有液态金属的储存器。

质子分裂钨核，产生强大的飞行碎片，质子，中子，μ子等爆炸。等带电粒子在车轮本身中减速（目标上的热负荷接近5兆瓦，因此它具有复杂的带有气态氦气的冷却系统）和周围的6,000吨钢混凝土生物保护装置，称为“整体”。位于车轮上方和下方的反射减速系统仅捕获几乎自由通过物质的中子。

可以从光束到达目标的位置取下反射减速系统，以更换钨轮（每5年更换一次，因为材料降解）。

这是该综合体的关键系统-它与中子“手电筒”配合使用，这是所有ESS仪器所关注的。在铍反射器的特殊设计腔中，有一个水预减速器和主减速器的腔，主减速器中装有液态氢，温度为20K。减速器

位于车轮上方和下方的鼓中。蓝色是水，蓝色是液态氢。中心的十字是中子的来源。

“热”中子最初将其动量传递给氢核（在水或氢分子中），冷却至数十开尔文的温度。速度越低，波长越长，位置的不确定性越大。中子被冷却，以使它们的波长增加并变得与样品中原子之间的距离可比，并且衍射图变得可区分。而且，即使在用液态氢冷却之后，对于大多数中子来说，波长也太短，因此您只需要选择与超低能量的麦克斯韦分布的“尾部”有关的小部分（感谢澄清的氢）。实际上，在这样的温度下，中子图像的波长和分辨率为十分之一纳米，即大约0.1nm。实际上，极限是单原子。
四个带氢减速剂的储罐由4个中子源组成，它们通过中子导管组输出（中子导管是具有特殊形状的多层内涂层的钢管，实际上是通过反射镜光学系统操作的）。

来自反射延迟系统的中子输出线。

从主持人的焦点出发，有42个中子导管散开，其中22个将在实验室的第一阶段使用，另外20个将用于进一步升级。中子导管长达160米，可通过许多设备：提供必要“快门速度”的百叶窗，旋转斩波器，切割轮廓并提供频闪模式以进行动态测量，单色仪依次与中子导管重叠，这样只有中子才能到达样品和设备一种速度（=能量，即释放一定光谱的中子）。

一个典型的具有中子光学器件的站的运行的好主意，该探测器可以立即确定与样品相互作用的中子的空间，幅度和光谱分布，这是这张互动图片。

一切就绪。左上方是带有质子输入（左）和中子出口（右）的“整体”，在带有光学和生物保护功能的中子导管下方。

这就是中子导管的样子。

目前，已为22个职位选择了16种仪器，并按研究方法进行了分组。我认为专门研究研究方法会更有趣。

建筑物中的ESS中子复合体（建筑物的后半部分未显示）。

通常，在这样的设施上进行的工作减少了制备的中子通量与样品之间的相互作用以及对与样品相互作用的中子的空间，幅度和光谱分布的研究。最简单的选择是中子相机，其原理类似于X射线系统。在ESS实验室中，此工具为ODIN。它使用针孔相机的原理，配备有单色仪和偏振器，以获取具有不同能量和偏振的中子束中的图像，并且具有极高的空间分辨率（每像素微米单位）。该设备的主要研究重点是样品中氢的生物学，分布和运输，但是，在工程上，该设备也很有用-例如，它可用于观察钢焊接过程中的材料科学。

ODIN …

. (pinhole) , .

第二种重要的方法学方法是研究规则晶体结构上的中子衍射以及薄膜上的小角度散射-这两种方法都可以从产生的亮度峰中恢复被研究晶体或薄膜分子中原子的空间排列。对于这些任务，ESS将立即使用大量的SKADI和LoKI工具通过小角度散射研究薄膜和表面，MAGiC用于研究单晶的中子衍射，HEIMDAL和DREAM用于粉末衍射，NMX用于研究大型生物分子晶体的衍射（例如，蛋白质分子结构的恢复，如通过X射线分析完成的）。

NMX将使用机械臂移动探测器。

一个BEER工具，用于同时分析材料的微晶结构及其在工作过程中的行为，并分析特征相互作用能。这对于获得复合材料的新型纤维粉底，新型金属合金以及电池材料领域的研究很有用。

中子仪器通常配备有低温真空样品容器。他们以自己的方式使用高科技样品架。

下一组设备是反射计，用于研究中子从样品表面的反射。对于ESS，它们是FREIA和ESTIA，该技术用于获取有关薄涂层和薄膜的密度，厚度，粗糙度和磁性能（直至原子厚度）的信息。除了在工程中的明显应用外，此类工具还用于生物膜的研究，例如，FREIA将与液体表面的膜配合使用。

小角度反射计设备在液体上工作的示例。中子输入和光学元件在右侧，样品定位器在中心左侧，检测器单元在左侧。

最后，最终的评审技术-光谱学研究以数量最多的仪器为代表。光谱学使您能够研究样品中原子的动力学和动力学，因为入射的中子具有与晶体和生物分子中的原子之间的键合能量大致相同的能量。当样品被具有逐渐变化的波长的中子照射时，中子技术中的光谱是直接的，而当使用“白色”中子源时，光谱就直接返回，并且光谱响应是根据中子从样品到达探测器的时间来计算的。 ESS中的直接光谱仪是VOR，C-SPEC（带有冷中子光学系统），T-REX和MIRACLES仪器。

这是使用中子衍射仪研究燃气轮机盘中残余张力的示例。

BIFROST和VESPA将介绍更复杂的反几何光谱仪。后者专门研究分子的振动模式，这对于寻找新的高能物质-燃料，炸药，电池化学非常有趣。

到2015年底建造欧洲水疗中心

宏伟的中子物理学ESS系统目前正处于建筑施工阶段，该施工将至少持续两年。仅在2018年初才开始安装主要设备，从2019年开始计划逐步安装第一个加速器，然后逐步安装目标设备，并从2020年开始逐步安装科学仪器。到2023年，该综合大楼应开始正常运行，每年提供数百次实验。

欧洲裂变源

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