“关于远通EPS燃油处理装置对柴油作用效果的中子散射研究报告”是由中国原子能科学研究院中子散射实验室应中国北京远通有限责任公司要求,委托合作访问学者小角中子散射专家林民跃博士在美国国家标准技术研究院中子研究中心完成的,该实验结果有助于说明远通EPS燃油处理装置对燃油的燃烧效果改善的机理。现将与该报告相关的背景情况简要说明如下。
本实验所运用实验手段,是用中子散射技术中的小角中子散射方法,确定燃油在远通EPS燃油处理装置前后成分尺度的明显变化,详细实验结果见“关于远通EPS燃油处理装置对柴油作用效果的中子散射研究报告”。中子散射技术即当一束中子被样品散射后,通过测量其能量和动量的变化,来研究在原子、分子尺度上各种物质的结构和微观运动规律。中子散射技术的应用领域及所提供的科学信息与同步辐射是互补的,它们的发展水平和应用程度是衡量一个国家科技综合实力的主要标志之一。中子散射技术目前主要用于凝聚态物理和材料科学等方面的研究,特别是伴随着当今纳米技术和生命科学的飞速发展,中子散射技术得到全方位的推进。中子的特点使之成为研究物质微观结构和动力学的理想探针。对一些高新技术上的重要材料,如塑料、蛋白质、聚合物、纤维、液晶、陶瓷、硬磁和超导等在微观水平上的详细了解,以及对基础物理如相变、量子流体和自发有序等方面的研究,中子散射都做出了重要贡献。瑞典皇家科学院将1994年诺贝尔物理奖授予为开拓中子散射技术做出重要贡献的两位科学家———美国的Shull教授和加拿大的Brockhouse教授,标志着中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认。
本实验所使用的小角中子散射方法是测量物质亚微观结构的重要工具,可以说它是中子散射家庭中用户最多的一员。可以测量样品内尺度范围在几个纳米到几百个纳米的结构。近几年来发展的纳米技术,纳米材料的尺度即在此范围内,生物分子学所研究的蛋白质生物大分子在此尺寸范围,材料学中的聚合物分子的尺寸,合金相分离中的相尺度,磁畴的尺寸等等也在此范围之内。所以近二十年来,小角中子散射技术在物理、化学、生物、材料、高分子学科等领域用途广泛,成果累累,为各国所重视。
特别是由于中子的穿透力强,对样品损伤小,这样可以测量较大体积的样品和生物样品,不会使生物样品失活。核对中子散射的能力与核外电子无关,这样有利于对原子序数较低,或相邻元素组成样品的测量,如对由C、H、O等低原子序数的核素组成的高聚物分子以及生物大分子的测定,在X光技术看来较难,而用中子却是较易克服;一些组成元素相近的合金如镍合金等等,X光较难分辨,但对中子小角散射却较易克服;特别是中子带有磁矩,因而是分析磁性材料的磁结构十分有利的工具。此外,使用氘代技术可以对样品进行选择性测量,更是发挥了它的长处。所以它不仅是电镜技术,X光小角散射技术,以及光散射技术的重要补充,而且是不可取代的独特手段。因此小角中子散射技术近二十年来发展迅速。到目前为止,在全球范围内,已建成的各种类型的小角中子散射谱仪达35台左右,大大推进了小角中子散射技术的进步,成为中子散射技术的重要组成部分。
本实验的背景调研、实验设计是在中国原子能科学研究院中子散射实验室完成的,进一步的系列实验测量和结果分析也将由该实验室完成。中子散射实验室属于中国原子能科学研究院核物理所,坐落于原子能科学院的重水研究堆旁,是我国目前唯一从事中子散射研究的实验基地。经过40余年的发展,目前已经形成相当的规模,与国内北大、清华、中科院物理所等20多个单位合作,并与德、法、英、美、俄、日、韩等十几个国家的中子散射实验室有着良好的合作关系,完成课题200余项,多次获国家和省部级奖项。这些成就,为我国的热中子散射工作在国际上争得一席之地打下了基础。中国先进研究堆将在2006年建成,届时将成为亚洲中子通量最高的多用途研究堆,主要用于中子散射实验、同位素生产和中子活化分析等领域。目前中子散射实验室正承担中国先进研究堆上的中子散射工程项目的建设工作,该项目完成后将开展包括上述中子小角散射实验在内的多项中子散射研究工作,成为我国中子散射研究材料的基地。中子散射工程项目将瞄准世界先进水平,为物理、化学、化工、生物、生命、材料科学基础研究、国防工业和国民经济的应用提供先进的中子散射技术。我们将努力建立起符合我国国情、综合研究能力并与世界先进水平接轨的中子散射国家重点实验室,使之成为我国本世纪中子散射研究和应用及人才培养基地。通过对国内外开放,力争在亚洲地区形成一个国际性的研究中心。
本实验的测量是在美国国家标准技术研究院中子研究中心(NISTCenterforNeutronResearch,简称NCNR)进行的,实验的完成人为该中心的林民跃博士。美国国家标准技术研究院是美国商业部唯一的国家级重点实验室,下设电子电工、制造工程、化学科学技术、物理、建筑防火、计算机与应用数学、材料科学工程、计算机系统八个研究所。美国国家标准技术研究院中子研究中心下属于材料科学工程所,是一个国家级中子散射中心,主要目的是为美国工业界、大学和政府机构提供高水平的中子散射测量技术。林民跃博士毕业于1981年中国复旦大学,于1989年在纽约市立大学获理学博士学位。1988年至今,分别作为美国普林斯顿大学(PrincetonUniversity)的研究人员和美国艾克森美孚(Es鄄sonResearchandEngineeringCompany)的高级研究人员,在美国国家标准技术研究院中子研究中心工作,现为中心的研究员,主要从事小角中子散射方面的研究工作。林民跃博士是旅美科技协会会长,华人物理学家,中国原子能研究院种子散射实验室的高级访问学者。早在1988年CNRF的第一台谱仪建造的初期就参与小角中子谱仪的设计和制造,并在此之后,他与美国国内企业和学术各界广泛合作,进行了大量的中子小角散射工作的研究,在国际Nature等著名杂志上发表50多篇科研论文和专利,现担任全球ExxonMobil公司的独立研究顾问。
林民跃博士的研究报告表明:经过中子散射技术小角散射方法测量,发现普通燃油内含大于300纳米尺度的分子团粒,而经过EPS燃油处理装置后的燃油的成分均为纳米级,小于3纳米。这一实验结果有助于说明EPS燃油处理装置对燃油的燃烧效果改善的机理。