「超級顯微鏡」——探秘中國散裂中子源

散裂中子源產生強脈衝中子，通過測量中子束流在樣品的散射反應過程，探測樣品原子核的位置和運動狀況，為材料科學技術、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域的研究和工業應用提供先進的研究平台。中國散裂中子源是我國「十二五」期間建設的規模最大的大科學裝置，將成為世界上第四台脈衝式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探測核外電子來研究物質結構的同步輻射裝置互為補充，都是研究物質結構的強有力工具。

中子散射：微觀世界研究利器

1932年，查德威克發現了中子，人們認識到原子核由帶正電的質子和不帶電的中子構成。中子的發現及應用是20世紀最重要的科技成就之一。

當中子入射到樣品上時，與它的原子核或磁矩發生相互作用，產生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化，可以研究在原子、分子尺度上各種物質的微觀結構和運動規律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態。這種研究手段就叫中子散射技術。

做一個較為形象的比喻，假設面前有一張看不見的網，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網而過，有的則打在網上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來，就能大致推測出網的形狀；如果彈珠發得夠多、夠密、夠強，就能把這張網精確地描繪出來，甚至推斷其材質。

由於中子不帶電、具有磁矩、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一，是多學科研究中探測物質微觀結構和原子運動的強有力手段。

優勢互補：同步輻射和中子源

同步輻射產生的高亮度X射線，主要與原子外圍的電子云發生相互作用，從而探知物質的微觀信息；而中子是電中性的，它與電子云基本不發生相互作用，主要與物質中的原子核相互作用。因此，作為探測微觀結構的兩種主要探針，同步輻射和中子散射看到的正好是物質的兩個不同的方面。這種優勢互補，已經被許多學科用來準確地研究物質中原子的位置、排列、運動和相互作用等。

Al2(PO3CH3)3(甲基沸石)的結構

——紅、白色部分分別是同步輻射和中子散射的結構分析結果

我們要進行中子散射的研究，要用中子做探針，去開展各種各樣的研究，就必須有一個適當的中子源，先進的中子源是中子科學研究的基礎。如何能獲得產生高通量中子的中子源，一直是科學家不斷努力追求的目標。高通量的中子源包括反應堆中子源和散裂中子源。核反應堆是一種穩定連續的中子源，在中子科學研究中發揮了巨大的作用。通常使用235U作為核燃料，每次核裂變產生一個有效中子，而釋放180MeV的熱量。堆芯中如此大量的熱量必須及時有效地帶出，才能保證反應堆正常運行。正是因為堆芯散熱條件的限制，反應堆中子通量在上世紀六、七十年代就達到了飽和。

隨著科技的進步，相應的研究體系如薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質等，尺度分布更大，獲得數量在克量級的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應運而生。

與核反應堆中子源相比，散裂中子源具有許多獨特性能：高脈衝通量，豐富的高能短波中子，優越的脈衝時間結構。

散裂中子源除長波（低能）中子外，還有豐富的短波（高能）中子，為高能量和高動量轉移的中子散射提供了保證，適於研究原子尺度微結構和研究較高能量的激發（光學聲子、氫原子擴散等）。散裂中子源的脈衝特性，可以同時利用幾乎所有波長的中子，適合測量大動量（能量）範圍里的散射截面，全面反映結構和動態信息。

由於散裂中子源的這些獨特的性能，以及國際社會對安全評估要求越來越嚴，發達國家普遍利用散裂中子源進行中子散射研究。

裝置探秘：小中子，大裝置

雖然中子是如此微小，但產生強中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高、精、尖設備組成的整體。

世界上正在運行的脈衝式散裂中子源主要有英國的 ISIS、美國的 SNS 和日本的J-PARC。

中國散裂中子源（CSNS）將成為發展中國家的第一台散裂中子源，躋身世界四大脈衝散裂中子源行列，從而大幅提升中國基礎研究和高技術的水平。

CSNS 整個裝置建在13米到18米的地下。其主要建設1台束流能量為80兆電子伏特的負氫離子直線加速器、1台束流能量為16億電子伏特的快循環質子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站、3台譜儀及相應的配套設施和土建工程。CSNS一期工程中子譜儀數量為3台（最多可建20台），束流功率為100kW，且預留了進一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升級空間。

下圖給出了CSNS系統構成示意圖。離子源產生的負氫離子束流，通過射頻四極加速器（RFQ）聚束和加速後，由漂移管直線加速器（DTL）把束流能量進一步提高到80兆電子伏特，負氫離子經剝離後注入到快循環同步加速器（RCS）中，使束流達到最後能量16億電子伏特。從RCS引出的高能質子束流經傳輸線打向鎢靶，釋放出中子，這些中子形成非常強的中子束流，中子再經慢化後與實驗樣品發生散射，由中子散射譜儀探測，供用戶開展實驗研究。

設備研製：國產化率超過96%

CSNS由中科院和廣東省共同建設，選址於廣東省東莞市大朗鎮，規劃用地1000畝，首期用地400畝。項目預計總投資為二十三億元人民幣。中科院高能物理研究所是該工程建設的法人單位，共建單位為中科院物理研究所。

CSNS的建設涉及大量先進技術，項目從2006年起開展了一系列關鍵技術的預製研究工作，攻克了眾多技術難題。加速器、靶站和譜儀工藝設備的批量生產在全國近百家合作單位完成，許多設備的研製在達到國內外先進水平，設備國產化率達到96%以上。

2011年10月，散裂中子源建設奠基。2014年10月，加速器首台設備——負氫離子源進入隧道安裝。目前，項目土建工程已經完成，加速器和靶站設備安裝基本完成，譜儀設備安裝緊張進行中，直線加速器正在調束。工程總體進展順利，計劃將於2018年竣工驗收。

靶站

應用前景：多學科研究新平台

1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，事故元兇竟然是老化的車輪。車輪在英國散裂中子源上檢測，發現其中的內部裂痕。

事實上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼裡面都有應力，它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應力看不到、摸不著，對它的研究成了避免類似災難發生的關鍵。現在科學家已經可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩餘應力，優化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。

CSNS裝置的建設大大加強了國內中子散射科學和應用界的國際交流和合作，為我國的中子散射技術和應用在國際前沿領域佔據一席之地提供了良好的機遇。

來源：中國科學院高能物理研究所