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歐洲散裂中子源

歐洲散裂中子源（英語：European Spallation Source，縮寫ESS）位於瑞典隆德，是一所正在建設中的跨領域科研機構。它將擁有迄今世界上通量最高的脈衝散裂中子源。來自歐洲的17個國家攜手建設和運營這所機構。實驗設施建在隆德，數據管理和軟件中心坐落於丹麥的哥本哈根。[2] 項目預期於2019年輸送出散裂中子，2023年提供給用戶開展實驗，並於2025年建設完工。

歐洲散裂中子源
概要
狀態正在施工
類型研究中心
地點 瑞典隆德
座標55°44′06″N 13°15′05″E / 55.735°N 13.2514°E / 55.735; 13.2514
計劃啟動2013年
啟用2027年 [1]
預估造價18.43億歐元
擁有者歐洲科研基礎設施財團
設計與建造
利益相關方瑞典、丹麥、西班牙、匈牙利、挪威、愛沙尼亞、拉脫維亞、立陶宛、冰島、捷克、法國、德國、荷蘭、意大利、波蘭、英國、瑞士
網站
europeanspallationsource.se
地圖
地圖
部分設施已經建成

歐洲散裂中子源將為科學家提供其它中子源機構所無法達到的最高中子通量，為進一步研究原子核結構提供了更加完善的工具。[3]

它的工作原理是由直線共振加速器產生高能離子束，並打向鎢靶，在靶上產生的脈衝散裂中子經由慢化器減速，再由中子導管引向光譜儀。散裂過程產生的中子束能夠為開展材料科學、化學、醫學、生物工程和地球物理學等科學實驗提供幫助。

歷史

從70年代末開始，使用質子源的回旋加速器、同步加速器和直線加速器應運而生。由於質子和電子相比不容易受到伽馬射線的干擾，因此被廣泛使用。通過質子撞擊靶子，並以脈衝形式散裂出來的中子，其最大通量遠遠高於核反應堆，而質子散裂過程中所產生的熱量，又遠遠低於反應堆的核裂變，因此對冷卻系統的要求降低了。[4]

歐洲的中子研究到了90年代末，不僅具備了當時最先進的反應堆和加速器，並且還擁有一批熟悉這個前沿領域的年輕科學家。這些來自二十個歐洲國家的6000名科學家成為了散裂中子源的最初設計者。[5][6][7]

在2003年到2009年之間，最先參與建設選址的德國和英國退出了競爭。與此同時，另外三個國家：匈牙利、西班牙和瑞典加入了這個競爭合作的申請行列。2009年5月28日，最終的建設選址定在瑞典的隆德，17個國家的科學顧問成立了指導委員會，各國的科技部長以及同時成立的法人董事會成為這個機構的名義所有者。[8]

在2013年項目動工的時候，75%的建設費以現金的方式投入，另外25%的費用以其它方式投入。[8] 歐洲散裂中子源於2015年10月1日加入歐洲科研基礎設施財團。[9]

應用範圍

  • 醫療：X射線和電子散射對含有氫的生物樣本具有破壞力，而中子則可以用作生物材料的三維成像。對病理的深入了解、配方有效藥物、研究器官移植材料起了重要作用。[13]
  • 農業：分析農作物分子結構的新陳代謝，提高其抵禦蟲害、疾病、乾旱的能力。[14]
  • 信息技術：分析數據存儲材料的磁場結構。[15]

設施

歐洲散裂中子源包括加速器、靶站、中子散裂裝置、光譜儀、冷卻系統和綜合控制系統。

加速器

生成離子源的是一台電子迴旋共振加速器，低速離子先是被輸送到無線電四極矩內，進行聚束和加速，當動能升高後被導入至漂移管內，之後進入超導射頻腔再加速，加速後的高能質子束被引向靶站。[16]

表格一：歐洲散裂中子源指導委員會於2011年4月18日在哥本哈根制定的項目驗收標準。[17]
參數 單位 值
質子束平均動能 兆瓦 5
靶子數量 坐 1
項目預算內的光譜儀 台 22
質子束端口 個 48
慢化器 台 2
質子束端口間隔 度 5
質子電壓 兆瓦 2.5
平均脈衝電流 毫安 50
脈衝波長 毫秒 2.86
脈衝頻率 赫茲 14

靶站

靶站的主要功能是把加速器里的高能質子轉化為低能中子。靶站吸收質子並通過散裂過程釋放出高速中子，這個過程會產生高溫，以及攜帶輻射的同位素副產品。包裹在靶子周圍的慢化器用來給生成的中子減速，並運用環繞在靶站四周，重約7千噸的鋼，來防止伽馬射線和高速中子泄漏。靶子由鎢製成，由氦氣冷卻。而用來緩解質子熱能的慢化器，使用的是液態氫和水。[18]

冷卻系統

出於降低污染考慮，獨立的靶站冷卻系統負責給包裹在靶子外圍的慢化器降溫。而直線冷卻系統則負責給加速器里的超導加速腔降溫。測試機房冷卻系統為通往實驗室的中子束導管提供液態氦。直線和測試機房冷卻系統共享氦氣的回收，淨化和存儲。[19]

綜合控制系統

綜合控制系統需要把所有設備連接起來而形成一整套工作體系。[20]

  • 為用戶提供計算服務，監控，計時，設備和人身安保。
  • 通過後端對設備的實時控制，提供前端控制界面。
  • 設備數據管理和存儲。
  • 提供軟件開發環境。
  • 為控制中心提供人機界面、數據分析工具。

參考

  1. ^ How the European Spallation Source will put Europe at the forefront of neutron science. [2023-07-04]. （原始內容存檔於2023-07-08）. 
  2. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013.,The relationship between the ESS-DMSC in Copenhagen, and ESS in Lund.,Page 133. (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  3. ^ ESS will provide up to 100 times brighter neutron beams than existing facilities today.. [2017]. （原始內容存檔於2017-01-03）. 
  4. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013. Page 2 (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  5. ^ D. Butler. 『Europe is warned of a 『neutron drought』...』 Nature, 379:284, 1996.
  6. ^ D. Butler. 『...and warns of need for more neutron sources.』 Nature, 396:8, 1998.
  7. ^ D. Richter and T. Springer. 『A twenty years forward look at neutron scattering facilities in the OECD countries and Russia.』 Technical report, European Science Foundation, Organisation for Economic Co-operation and Development Megascience Forum, 1998.
  8. ^ 8.0 8.1 ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013. Page 4 (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  9. ^ ESS officially became the European Spallation Source ERIC on October 1, 2015.. [2017]. （原始內容存檔於2017-01-03）. 
  10. ^ S. Schorr. The crystal structure of kesterite type compounds: A neutron and X-ray diffraction study. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(6):1482–1488, 2011. ISSN 0927-0248. doi: 10.1016/j.solmat.2011.01.002. Special Issue: Thin film and nanostructured solar cells.
  11. ^ A. J. Parnell, A. D. F. Dunbar, A. J. Pearson, et al. 『Depletion of PCBM at the cathode interface in P3HT/PCBM thin films as quantified via neutron reflectivity measurements.Advanced Materials,22(22):2444–2447, 2010. ISSN 1521-4095. doi:10.1002/adma.200903971.
  12. ^ K. H. Lee, P. E. Schwenn, A. R. G. Smith, et al. 『Morphology of all-solution-processed 「bilayer」 organic solar cells. Advanced Materials, 23(6):766–770, 2011. ISSN 1521-4095. doi:10.1002/adma. 201003545.
  13. ^ A. E. Whitten et al. 『Cardiac myosin-binding protein C decorates F-actin: Implications for cardiac function. In Proceedings of the National Academy of Sciences, volume 105, pages 18360–18365. 2008.
  14. ^ K. Wood et al. 『Coupling of protein and hydration-water dynamics in biological membranes.』 In Proceedings of the National Academy of Sciences, volume 104, pages 18049–18054. 2007.
  15. ^ D. R. Lee et al. 『Polarized neutron scattering from ordered magnetic domains on a mesoscopic permalloy antidot array.』 Applied Physics Letters, 82, 2003.
  16. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013., Accelerator,Page 268-270 (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  17. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013.,High level parameters, approved by the ESS Steering Committee on April 18, 2011.,Page 5. (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  18. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013., Target Station,Page 149-153 (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  19. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013., Cryogenic systems,Page 450 (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
  20. ^ ESS Technical Design Report, ESS-0016915, April 23 2013.,Integrated Control System,Page 391-395 (PDF). [2017]. （原始內容存檔 (PDF)於2019-11-01）. 
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