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）。
馬克斯·馮·勞厄（Max Von Laue 1879-1960）（左），德國物理學家。因為發(fā)現(xiàn)了晶體中X射線的衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波特性和晶體的晶格結(jié)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(fā)展了現(xiàn)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(fā)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(lián)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(zhí)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(jīng)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(tài)和軟物質(zhì)的微結(jié)構和動力學在材料科學和工程、固體物理、化學和生物醫(yī)學領域的應用。
ILL鳥瞰
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(zhì)內(nèi)部深層而不被破壞。這一特性使之成為研究物質(zhì)結(jié)構和動力學性質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)生新一輪的裂變。RHF核心處設有3個裝置，分別產(chǎn)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(qū)的溫度保持在2600。C，冷中子源形成一個含有20升-248。C液態(tài)氘區(qū)。冷中子通過和氘原子的不斷碰撞，繼續(xù)減速，科學家們根據(jù)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(tài)的物質(zhì)，發(fā)展新材料和開發(fā)新藥品。
ILL中子源每年分4個時間段運行，每階段連續(xù)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(jié)晶、材料科學、超導、磁學、液體膠態(tài)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(nèi)部
實驗大廳
中子技術和設備
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中子衍射：
中子衍射技術是研究生活日用品結(jié)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(jié)構的高精度技術。 |
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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(tǒng)感興趣。由于散射元素大（谷物、氣泡、膠束等），衍射發(fā)生在非常小的角度。 |
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非彈性散射：
為了了解物質(zhì)的特性，必須了解原子和分子振動、旋轉(zhuǎn)和移動。非彈性散射是研究這些物質(zhì)運動的好手段。 |
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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(shù)量的基本物質(zhì)，包括核子的內(nèi)在結(jié)構和能量。 |
ILL的中子衍射中心
ILL的實驗設備
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設備組 |
用途 |
設備 |
備注 |
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衍射儀（DIF） |
使用中子衍射來研究日常生活中所用物質(zhì)的結(jié)構 |
粉末衍射儀：
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單晶衍射儀：
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大型結(jié)構組（LSS） |
用于測量1到
100個納米單位的物質(zhì)結(jié)構 |
大型結(jié)構衍射儀：
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反射儀：
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飛行時間 |
用于研究粉末狀、液體或玻璃狀下凝聚態(tài)物質(zhì)的動力學。 |
飛行時間譜儀：
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高分辨率光譜儀：
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三軸光譜儀（TAS） |
三軸光譜儀是研究凝聚態(tài)物質(zhì)的靈活工具。 |
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FlatCone（IN8,IN14,IN20）；IMPS
（IN8）；UFO（IN12）
TASSE（IN20）,ZETA（IN22） |
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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。 |
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粉末衍射儀D1A
單晶衍射儀D3
大型結(jié)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(tài)物理，材料科學和化學
? 檢查新材料結(jié)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(xiàn)象
? 研究金屬中氫的儲存，這是可再生能源發(fā)展的重要特性
? 分析重要參數(shù)，如：聚合物（塑料材料）的彈性參數(shù)
? 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(yè)
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(zhì)
? 病毒調(diào)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(diào)節(jié)，這些特性使得同步輻射光源在生命科學、材料、物理、化學、環(huán)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(diào)節(jié)，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(zhì)，如能量較低，對于所研究樣品造成的破壞很?。恢凶泳哂写啪?，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(yè)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。
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中子源 |
同步輻射光源 |
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粒子束（中性亞原子粒子） |
光束（電磁波） |
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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 |
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被所有元素散射，包括較輕的元素，如氫的同位素 |
大多數(shù)被重元素散射 |
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深度穿透 |
淺層穿透 |
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測量較大樣本，選用較弱光束 |
強束流測量小型或超稀液態(tài)樣本 |
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應用：磁結(jié)構和勵磁
使用同位素效應的有機結(jié)構
整體研究（應力和激發(fā)）
低能譜學（分子振動） |
應用：蛋白質(zhì)晶體結(jié)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(fā)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(fā)展和進步做出了積極和重要的貢獻。ILL在優(yōu)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(jié)構生物學實驗室IBS簽署成立了法國格勒諾布爾的結(jié)構生物學聯(lián)合體PSB（Partnership for Structural Biology）。聯(lián)合體旨在同心協(xié)力，創(chuàng)建卓越優(yōu)化的結(jié)構生物學中心，提供以生物醫(yī)學為目的的蛋白質(zhì)樣品生產(chǎn)的技術平臺，開展歐洲及全球范圍內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構和功能的研發(fā)。
ILL、ESRF、EMBL位置圖
在結(jié)構生物學聯(lián)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(tài)物質(zhì)聯(lián)合體PSCM（Partnership for Soft Condensed Matter）和高磁場聯(lián)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(nèi)以最安全最穩(wěn)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(xiàn)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/
