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勞厄-朗之萬研究所(ILL)
2010-08-13 |文章來源: | 瀏覽次數:  |

以兩位科學家名字命名的研究所ILL

1967年,為了紀念物理學家馬克斯·馮·勞厄(Max Von Laue)和保羅·朗之萬(Paul Langevin),法、德兩國科學家將世界第一個基于反應堆和加速器的高通量中子源,命名為勞厄-朗之萬研究所ILL(Institute Laue-Langevin)。

Paul Langevin

馬克斯·馮·勞厄(Max Von Laue 1879-1960)(左),德國物理學家。因為發現了晶體中X射線的衍射現象,證明了X射線的波特性和晶體的晶格結構而獲得1914年諾貝爾物理學獎。

保爾·朗之萬(Paul Langevin 1872-1946)(右),法國物理學家,皮埃爾·居里的學生。他綜合愛因斯坦的相對論和量子論,發展了現代物理學。1940年,他因著名的磁學理論而獲得倫敦皇家學會授予的科普利獎章。

ILL位于法國格勒布諾爾(Grenoble),與歐洲同步輻射裝置ESRF毗鄰。ILL是著名的國際性科學組織,除發起國法國(原子能研究中心CEA和國家科學研究院CNRS)、德國(馮-黑爾姆霍爾茨聯合會FZJ)外,英國1973年加入合作和管理,由英國政府委托科學和技術設施委員會STFC(Science and Technology Facilities Council)執行。之后,另有西班牙、瑞士、奧地利、意大利、比利時、匈牙利、俄羅斯、捷克、瑞典等11個歐洲國家成為合作伙伴。2008年,經費7850萬歐元;2009年8418萬歐元。24個國家近500人在此工作,包括研究生博士生、技術人員和行政管理人員。其中,法國人約占65%,德國人12%,英國人12%。

各國用戶在中子源上的使用時間由各國政府的投資份額決定。法國占有1/3時間。多年來,ILL堅定不移地致力于研究液態和軟物質的微結構和動力學在材料科學和工程、固體物理、化學和生物醫學領域的應用。

ILL鳥瞰

The world leader in neutron science and technology

ILL主樓與夜景

高通量核反應堆RHF

中子是不可摧毀的,因此可以穿透物質內部深層而不被破壞。這一特性使之成為研究物質結構和動力學性質的理想探針,以及在不同壓力、溫度、磁場或極端條件下的樣本。

ILL的高通量核反應堆RHF(High-Flux Reactor)提供世界最高強度的中子源,擁有近40套先進的并不斷升級改造的設備和儀器。它的核心部分是一個重水冷卻型高濃縮鈾燃料箱,核裂變產生的中子束強度達到1.5*1015 中子/厘米2/秒,熱功率為58.3MW,速度2萬公里/秒。它們在被重水冷卻后可急速減速至2.2公里/秒,同時產生新一輪的裂變。RHF核心處設有3個裝置,分別產生熱中子(10公里/秒)、冷中子和超冷中子(700米/秒和10米/秒)。熱中子源區的溫度保持在2600。C,冷中子源形成一個含有20升-248。C液態氘區。冷中子通過和氘原子的不斷碰撞,繼續減速,科學家們根據需要通過單色儀和準直器選擇光源,檢測樣品,以便認識各種形態的物質,發展新材料和開發新藥品。

ILL中子源每年分4個時間段運行,每階段連續50天,共計200天。夏季1個月和冬季3個月停運期間添加燃料,安裝、檢測和維護設備設施。每年,來自世界45個國家的1800多名用戶,進行基礎物理、化學、生物、生化技術、納米、結晶、材料科學、超導、磁學、液體膠態等領域800多項試驗。

反應堆與實驗站平面圖 

核反應堆剖面

1.雙層防護墻;2.D層實驗大廳;3.走道;4.貨物裝卸口;5.熱槽;6.C層實驗大廳;7.走道;8.生化保護墻;

9.準直中子束出口;10.B層配套設施;11.清水池;12.重水冷卻池;13.燃料;14.廢料儲存庫;15.交換器;16.二次冷卻

安全棒(Barre de securite);燃料(Element combustible);清水池(Piscine H2O);

冷水源(Source froide); 套管(Canal ou doigt de gant);重水箱(Cuve a eau lourde D2O)

 

實驗大廳和設備

反應堆RHF內部              

實驗大廳

中子技術和設備

中子衍射:

中子衍射技術是研究生活日用品結構和功能的獨特手段,是一項測量從最簡單到最復雜晶體結構的高精度技術。

小角散射:

小角散射技術并不試圖看到原子,但對微粒組織的分散系統感興趣。由于散射元素大(谷物、氣泡、膠束等),衍射發生在非常小的角度。

非彈性散射:

為了了解物質的特性,必須了解原子和分子振動、旋轉和移動。非彈性散射是研究這些物質運動的好手段。

伽瑪光譜儀:

對高精度原子核釋放的伽瑪射線的測量可了解一定數量的基本物質,包括核子的內在結構和能量。

  

ILL的中子衍射中心

ILL的實驗設備 

設備組
用途
設備

備注

衍射儀(DIF)

使用中子衍射來研究日常生活中所用物質的結構

粉末衍射儀:

單晶衍射儀:
大型結構組(LSS)

用于測量1到

100個納米單位的物質結構

大型結構衍射儀:

反射儀:

飛行時間

用于研究粉末狀、液體或玻璃狀下凝聚態物質的動力學。

飛行時間譜儀:

高分辨率光譜儀:

三軸光譜儀(TAS)

三軸光譜儀是研究凝聚態物質的靈活工具。

FlatCone(IN8,IN14,IN20);IMPS

(IN8);UFO(IN12)

TASSE(IN20),ZETA(IN22)

核子和粒子
物理學

(NPP)

它們是研究核子和中子的粒子物理學唯一卓越的的工具。

粉末衍射儀D1A                  

單晶衍射儀D3

大型結構衍射儀D11                   

反射儀SuperADAM

飛行時間譜儀BRISP                  

高分辨率光譜儀IN10

三軸光譜儀IN12                 

核子和粒子物理學研究設備PN1

中子研究的應用領域

1、凝聚態物理,材料科學和化學

? 檢查新材料結構,比如:高溫超導新陶瓷或磁性材料

? 澄清電池充電過程中的未知現象

? 研究金屬中氫的儲存,這是可再生能源發展的重要特性

? 分析重要參數,如:聚合物(塑料材料)的彈性參數

? 膠體研究為不同學科提供新信息:石油開采、化妝品、藥品和食品工業

2、生物科學:富含氫和其它較輕元素的生物材料,是中子分析的理想樣本。

? 細胞膜

? 蛋白質

? 病毒調查

? 植物的光合作用

3、核物理和基本粒子

? 中子和中微子物理特性的實驗

? 5米/秒的極慢中子的生成

? 原子裂變和原子核結構實驗

4、工程科學:由于中子衍射為非破壞性,中子成為分析材料不同技術現象的理想之選。

? 材料剩余應力的可視化,如:鐵軌

? 混凝土硬化和腐蝕現象

? 材料中的夾雜元素和微量元素

中子源與同步輻射光源的比較

同步輻射光的強度很高,能夠進行聚焦,具有很好的準直性和相干性,能量可以調節,這些特性使得同步輻射光源在生命科學、材料、物理、化學、環境等領域得到了廣泛的應用。中子源的強度相對較弱,能量也能夠調節,目前聚焦和準直的水平還需提高,但由于中子具有很多獨特的性質,如能量較低,對于所研究樣品造成的破壞很小;中子具有磁矩,是研究磁性體系的有利工具;中子的穿透能力很強,可勝任工業應用的大塊樣品的研究。這些特性使得同步輻射光源和中子源成為相輔相成的兩種手段。

中子源

同步輻射光源

粒子束(中性亞原子粒子)

光束(電磁波)

核子與未成對電子磁矩的相互作用

核子中電子的相互作用

被所有元素散射,包括較輕的元素,如氫的同位素

大多數被重元素散射

深度穿透

淺層穿透

測量較大樣本,選用較弱光束

強束流測量小型或超稀液態樣本

應用:磁結構和勵磁

使用同位素效應的有機結構

整體研究(應力和激發)

低能譜學(分子振動)

應用:蛋白質晶體結構

快速化學反應

表面研究(缺陷和腐蝕)

高能譜學(電能水平測量)

發展前景

近40年來,ILL堅定地保持著中子學科領域的先鋒地位,尤其為生命科學的發展和進步做出了積極和重要的貢獻。ILL在優化自身功能的同時,敞開門戶,積極開展合作,2002年11月,ILL與“科學多邊形”上毗鄰的歐洲同步輻射光源ESRF歐洲分子生物學實驗室EMBL和讓?皮埃爾?埃貝爾結構生物學實驗室IBS簽署成立了法國格勒諾布爾的結構生物學聯合體PSB(Partnership for Structural Biology)。聯合體旨在同心協力,創建卓越優化的結構生物學中心,提供以生物醫學為目的的蛋白質樣品生產的技術平臺,開展歐洲及全球范圍內蛋白質結構和功能的研發。

ILL、ESRF、EMBL位置圖

在結構生物學聯合體的框架下,ILL與EMBL建立了生物分子氘化試驗室D-Lab,與ESRF建立材料學科學支持實驗室MSSL(Materials Science Support Laboratory),以支持多種多樣的材料工程應用。

另外,軟凝聚態物質聯合體PSCM(Partnership for Soft Condensed Matter)和高磁場聯合體PHMF(Partnership for High Magnetic Fields)即將成立。

為了保持在中子學領域的前沿地位,并在未來30年內以最安全最穩定的實驗設備和技術滿足用戶需求,ILL不惜代價對基礎設施和設備進行現代化改造,改造方案是2000年確定的,改造計劃分為兩個階段。

第一階段(2001-2008):注資4000萬歐元。新建6條、升級8條線站,改善基礎設施。科學家們可以借此更快更好地進行更多領域的研究,例如:納米這一新興學科的開展。

SALSA;  VIVALDI;   LADI III;    FIGARO;  

   

MiniBall / Lohengrin;  FlatCone

D2B;        D3C;        D7;         D11;

D19;        D22;       IN5;   IN20

第二階段(2008-2014):注資4500萬歐元,安裝5個新設備,2條光束線實驗室IN12、GRANIT,升級3條線站:D17,IN1 Lagrange,IN4C。

 

IN16 B;         ThALES;        WASP;        

 

 D33;         SuperADAM

高能所科研處 中科院大科學裝置辦公室 資料來自http://www.ill.eu/


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