中國散裂中子源有什麼用？

靠中子打開微觀世界大門

出品|網易新聞

作者|羅會仟，中國科學院物理研究所副研究員

　　上學時，相信許多人都使用過光學顯微鏡，通過它我們第一次看到了肉眼無法直接觀察到的細胞和細菌等微觀世界。

　　但可能很多人不知道，在廣東省東莞市大朗鎮水平村一片荔枝林的山溝里，中國就建了一個「超級顯微鏡」，它的名字叫散裂中子源。為了建成這個大塊頭的「顯微鏡」，國家批複投資18.8億元人民幣。

　　那麼，散裂中子源究竟是什麼？它到底有什麼用？中國為什麼要花大力氣去建設它呢？

中國散裂中子源鳥瞰圖（由中科院物理所王芳衛研究員提供）

（一）這個「超級顯微鏡」可不一般，靠中子打開微觀世界大門

　　我們都知道，物質是由分子和原子組成的，原子內部有原子核，原子核又包含了中子和質子。散裂中子源，顧名思義，就是用散裂方式產生中子的一種源，我們可以用「中子工廠」來形容它。

　　中子散裂的過程有點兒像打撞球。

　　其基本原理就是通過加速器將質子加速到高能(一般為GeV量級)，然後轟擊重金屬(如鎢、汞等)靶，把金屬的原子核打碎，原子核在退激時蒸發/裂變的過程產生MeV量級的中子，再經過慢化器將中子慢化到eV量級甚至更低能量輸出。

　　就像打撞球是一桿一桿地戳，加速的質子束也是脈衝形式的，散裂中子源產生的中子束流也便具有脈衝時間結構。

　　散裂中子源輸出的中子束可是有大用途。

　　我們知道，中子和質子的質量基本相當，但中子愛走中性路線，它不帶電，但有一定的磁矩，就像一個小磁針。如果將一束中子打入材料內部，會發生什麼情況呢？

　　簡單來說，會有兩類過程。

　　因為中子不帶電，電子和質子的電荷將無法阻礙中子前進的步伐，它將會直搗原子的黃龍——原子核並與之發生相互作用，這便是中子的核散射。

　　利用中子散射探測材料中的原子排布結構（由英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室提供）

　　另一方面，中子具有磁性，如果原子本身具有磁矩，那麼中子和原子這兩個小磁針相遇就會產生磁性相互作用，這就是中子的磁散射。

　　利用中子散射探測材料中的自旋相互作用（由英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室提供）

　　由於核散射和磁散射同時存在，中子成為材料探測的「雙面手」，既能研究原子核「在哪裡」或「幹什麼」，也能研究磁矩「在哪裡」或「幹什麼」。

　　「在哪裡」的意思就是能夠分辨原子/磁矩的在空間上的具體位置，給出它們的微觀排布結構，這是決定材料一切性質的基礎；「幹什麼」的意思就是能夠測量原子/磁矩之間的「互動模式」，這是材料的宏觀物理性質的來源。

　　靜態結構和動態作用全包圓，這就是中子探測手段最獨特最有用的地方。

（二）相比其他微觀探測手段，散裂中子源優勢多多

　　中子散射技術的各種應用

　　相比其他微觀探測手段，如X射線散射、電子衍射、紅外光譜等，中子散射同樣具有得天獨厚的優勢。

　　比如X射線散射主要是電子造成的，因此對含電子數目越多的原子越敏感，但欲探測如氫原子等輕元素就極其困難了。中子散射則對同位素具有選擇性，其中氫元素的散射最厲害，也最敏感。因此，研究含有大量氫原子的生物大分子，中子散射具有更佳的優勢。

　　電子衍射因為受到電荷相互作用的影響，往往穿透能力有限，需要將測量樣品減成薄片，且三維測量精度有一定限制。中子的穿透能力極強，一般來說可以體穿透樣品，因此往往不用擔心材料的厚度問題。

　　光譜測量同樣可以給出材料中各種相互作用的信息，但很多情況需要根據理論模型擬合來間接推斷。中子散射則反映了材料中的直接相互作用信息，最為簡單有效。因為中子的強烈穿透能力，它的測量基本上是無損測量，而且對樣品表面不敏感，制樣相對簡單。

　　在中子入射下，某些金屬材料如鋁幾乎完全透明，因此在中子實驗中，可將測量樣品置於低溫、高溫、高壓、磁場、應力、電場等各種環境，充分測試樣品對外界環境的響應。

　　簡單利用中子穿透能力和大尺寸束流，還可以給文物、生物或者精密設備拍照，從而無損地觀測到其內部情況，進行考古和其他相關科學研究。

　　比如你可以用中子照相方法觀測一滴水是如何從一株植物的根部輸運到枝葉上的。

　　可以說，中子散射是物理、化學、生物、材料等多學科研究的神兵利器。

　　中國散裂中子源靶心全貌

　　在中子入射下，某些金屬材料如鋁幾乎完全透明，因此在中子散射實驗中，可將測量樣品置於低溫、高溫、高壓、磁場、應力、電場等各種環境，充分測試樣品對外界環境的響應。

（三）治療癌症、檢測飛機高鐵安全性都離不開它

　　說了這麼多，這對於普通人有什麼用呢？別說，用處大著呢。

　　散裂中子源除了用於科學研究外，其產生的中子還能用來治療癌症。

　　在癌症治療中有一種方法叫硼中子俘獲療法。具體地，就是先給癌症患者注射一種含硼（硼-10）的無毒藥物，利用它與癌細胞之間很強的親和力，這種藥物會迅速聚集於癌細胞內，而其他正常細胞內聚集的卻極少。

　　當藥物在癌細胞內「潛伏」妥當之後，利用加速器提供的中子，產生超熱中子束照射腫瘤部位，中子就會被癌細胞內的硼所俘獲，並在癌細胞內發生很強的核反應，釋放出殺傷力極強的射線。

　　這種射線射程很短，只有一個細胞的長度，所以它只殺死癌細胞，而癌細胞周圍的正常組織則不會受到損傷。

　　散裂中子源對於普通人來說另外一個重要的應用，就是它對於飛機、高鐵等交通工具的零部件安全性檢測的能力。

　　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的使用壽命和安全性。但是，這個應力看不到、摸不著，對它的研究成了避免災難發生的關鍵。

　　現在，科學家已經可以在散裂中子源上研究輪軌和機翼的殘餘應力，優化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。

　　散裂中子源的直線加速器

（四）產生中子並不容易，未來中子散射研究中心在中國

　　儘管中子散射功能非常強大，但產生中子還是相當困難的。

　　通常大量產生中子只有兩種辦法：核反應堆和散裂中子源。無論是哪個，都要付出極高的建造成本和精密科技，運行和維護也需要巨大的代價。

　　中國散裂中子源鳥瞰圖

　　因此，一般來說中子源這類大型科學裝置都是由國家投資建設並運行維護的，而且中子源上的各種中子譜儀通常都是免費向全世界用戶開放，讓全世界最優秀的科學家在其上開展最前沿的科學實驗，發揮最大的功效。

　　目前世界上開放的中子源約有20個左右，但是現役脈衝式散裂中子源僅有3個，即美國、日本和英國散裂中子源。

　　2017年8月28日10點56分18秒，中國散裂中子源成功產生出第一束中子，標誌著世界第四大脈衝式散裂中子源——中國散裂中子源順利完成初步建設，中國人從此擁有了屬於自己的散裂中子源。

　　未來數年裡，歐美一些早期建設的反應堆中子源將會陸續退役關閉，新建設的中國散裂中子源和歐洲散裂中子源，將逐漸成為國際中子散射研究的中心。

　　英國散裂中子源模型

結語

　　中國散裂中子源項目從立項到初步建成，耗費了八九年，項目預計總投資23億元人民幣，是名副其實的大科學工程。

　　目前散裂中子源一期譜儀配備了粉末衍射譜儀、小角散射譜儀和應力譜儀等三台用戶量最多的譜儀。接下來，在中國科學家集體努力推動下，中國散裂中子源還將不斷建設新的譜儀，為推動中子散射研究在中國的發展添上一把火！

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編輯| 史文慧

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