揭秘中国散裂中子源:异常庞大 可使高铁飞机更安全

　　中国散裂中子源园区鸟瞰图。中国散裂中子源供图

　　中国散裂中子源投入试运行，我国成为世界上第四个拥有“超级显微镜”的国家

　　“超级显微镜”能“看”清什么(关注)

　　日前，位于广东东莞的国家大科学工程——中国散裂中子源(CSNS)首次打靶成功，获得中子束流，这标志着CSNS主体工程顺利完工，进入试运行阶段。中国散裂中子源是什么？它长啥样？有什么用？安不安全？本报记者奔赴现场，为您一一揭晓。

　　一问：是什么？

　　就像一台“超级显微镜”，可以研究物质的微观结构

　　“当一束中子入射到研究样品上时，与它的原子核或磁矩发生相互作用，产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化，就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律，告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这种研究手段就叫中子散射技术。”中国散裂中子源工程总指挥、工程经理、中科院院士陈和生说。

　　1932年，英国物理学家查德威克发现了中子，人们开始认识到原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成的。中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。由于中子不带电，具有磁矩，且穿透性强，能分辨轻元素、同位素和近邻元素，具有非破坏性，这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一，和X射线一样，是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。

　　陈和生进一步解释说：“打个比方，假设面前有一张看不见的网，我们不断地扔出很多玻璃弹珠，弹珠有的穿网而过，有的则打在网上，弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来，就能大致推测出网的形状；如果弹珠发得够多、够密、够强，就能把这张网精确地描绘出来，甚至推断其材质。”

　　然而，进行中子散射的研究，需要用中子做探针，就必须有一个适当的中子源，先进的中子源是中子科学研究的基础。如何能获得产生高通量中子的中子源，一直是科学家不断努力追求的目标。

　　高通量的中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一种稳定连续的中子源，在中子科学研究中发挥了巨大的作用。但由于反应堆散热技术的限制，反应堆中子通量在上世纪六七十年代就达到了饱和。随着科技的进步，相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等，尺度分布更大，获得数量在克量级的样品更为困难。因此，小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源，散裂中子源应运而生。

　　“它是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶，引起金属原子的散裂反应，释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流，中子慢化(中子与介质原子核碰撞，引起中子能量减少而减速的现象)后与样品发生散射，最后由中子散射谱仪接收，我们科研人员就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征。通俗点说，散裂中子源就像一台‘超级显微镜’，可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物质的微观结构。”陈和生说。

　　二问：长啥样？

　　异常庞大，建在13米到18米深的地下

　　由于散裂中子源的这些独特性能，以及国际社会对安全评估要求越来越严，发达国家普遍利用散裂中子源进行中子散射研究。目前，世界上正在运行脉冲式散裂中子源的国家主要有英国、美国和日本。中国散裂中子源建成后将成为发展中国家的第一台散裂中子源，跻身世界四大脉冲散裂中子源行列，从而大幅提升我国基础研究和高技术的水平。

　　虽然中子如此微小，但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置，是各种高、精、尖设备组成的整体。

　　记者在现场看到，CSNS隧道内装置建在13米到18米深的地下。主要建设内容包括1台束流能量为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流能量为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站和3台谱仪，以及相应的配套设施和土建工程。

　　陈和生说：“CSNS一期工程中子谱仪数量为3台，将来最多可建到20台。目前束流功率为100千瓦，我们还预留了进一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升级空间。”

　　首批建设的3台谱仪为通用粉末衍射仪、多功能反射仪、小角散射仪。

　　“通用粉末衍射仪主要用于研究物质的晶体结构和磁结构；多功能反射仪通过分析来自样品的反射中子，研究物质的表面和界面结构；小角散射仪用于探测物质体系在1—100纳米尺度内的微观和介观(介于宏观与微观之间的一种体系)结构。”陈和生说。