又一大科學工程：中國散裂中子源首次打靶成功

世界上的物質是由分子和原子構成的，原子就像是原子核和核外電子的微小太陽系，質子和中子構成了原子核。

中子作為組成原子核的基本粒子之一，不帶電，因此被稱為中子。它是由劍橋大學卡文迪許實驗室的英國物理學家詹姆斯·查德威克於1932年發現的。中子對輕的原子核非常敏感，能夠精確測得分子結構中的氫原子位置，還能定位「摻雜」在重原子中的其他輕原子。中子的這種特性，使它能夠「拍攝」到材料的微觀結構，跟蹤正在運動中的原子核分子的行為。

中子作為一種粒子，與材料中的原子核相互作用，運動方向發生改變而分散傳播，發生散射，即為中子散射。中子主要是通過「中子散射」過程來實現對樣品的研究：當一束中子入射到所研究的對象上時，與研究材料中的原子核或磁矩發生相互作用，向各個方向散射開來。就好像一束光打在半透明的物體上，有的光透過物體，有的光被反射或散射，這樣我們能夠從各個方向上看到物體。中子束流打到樣品上時，大多數中子會穿過樣品，不受任何阻礙，但有些中子將直接與樣品的原子核發生相互作用，運動方向發生改變而發生分散傳播，就像彈珠遊戲一樣。通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，可以在原子、分子尺度上研究各種物質的微觀結構和運動規律，告訴人們原子、分子在哪裡，在做什麼，這種研究手段叫做中子散射技術。

中子散射和X射線技術都是人類探索物質微觀結構的有力手段。慢中子散射技術是當今研究物質微觀結構和運動最重要的工具之一，與同步輻射光源在很多方面有相輔相成的作用，在非常寬廣的研究領域如材料、物理、生物、化學、地學和工程等研究中都是很有效的工具。與其它物質結構的手段相比，中子散射具有以下明顯的特點或優勢：

寬廣的波長範圍：與物質中原子間距相近，是度量物質微觀結構最適合的標尺，探測範圍從氫原子到生物大分子。

合適的能量覆蓋：適合研究物質中各種不同的相互作用和動態過程，探測範圍從分子振動、晶格振動到電子層躍遷。

直接與核作用：對輕元素原子靈敏和可以區分同位素，是研究生物大分子的強有力工具。

中子磁矩： 很適合用來研究磁性材料中的微觀磁結構和磁漲落。

對樣品系統擾動小：有利於研究微觀結構的細微變化。

高穿透性：易於開展工業大部件和極端條件下物質結構和動態的研究。

散裂中子源

簡單地說，散裂中子源就是一個用中子來了解微觀世界的工具。當一個高能質子打到重原子核上時，一些中子被轟擊出來，這個過程被稱為散裂反應。被轟擊的原子核溫度升高，更多的中子就會「沸騰」起來並脫離原子核的束縛。如果將一個壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會立刻蹦出來，而更多的球則會彈跳並翻出筐外，散裂反應與這個過程很相似。每個與原子核相作用的質子能夠轟擊出20到30個中子。

從上世紀80年代開始發展起來的、基於先進加速器技術的散裂中子源是目前世界上最先進的中子源，它的基本原理是用高能強流質子加速器產生能量在1GeV以上的質子束轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中發生散裂反應，產生大量的中子。它為眾多學科前沿領域的研究提供了一種最先進、不可替代的研究工具，如凝聚態物理、化學、材料科學、生命科學、環境科學、信息科學、核科學等。

散裂中子源與反應堆中子源各具特色，是相互補充的研究手段。我國在反應堆中子散射研究中已有較深厚的基礎，可為進一步發展散裂中子源先進技術提供有力支持。散裂中子源的特點是在較小的體積內可產生較高的脈衝中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的範圍；它具有高脈衝通量和優越的脈衝時間結構，低本底，且不使用核燃料，只產生極少量活化產物等獨特優點。

近年來，隨著強流加速器技術的發展，百千瓦到兆瓦級束流功率的散裂中子源成為國際公認的新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。進入21世紀，美、日、歐等發達國家認識到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在現代科學技術中的重要地位，把建設高性能散裂中子源作為提高科技創新能力的重要舉措，相繼斥巨資建設新一代的散裂中子源。我國也需要有這種科學裝置來滿足科學家的研究工作。

世界四大散裂中子源之一

中國散裂中子源項目總投資約22億元，由中國科學院和廣東省人民政府共同建設，將於2018年前後建成。建成後，CSNS將成為發展中國家擁有的第一台散裂中子源，與世界上正在運行的美國散裂中子源、日本散裂中子源和英國散裂中子源一起，構成世界四大脈衝散裂中子源。

科學研究的利器

用於中子散射的中子，波長從幾埃到幾十埃、能量在毫電子伏特到電子伏特之間，分別與物質中原子分子之間的距離和相互作用能量相當。由於中子不帶電、具有磁矩、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素以及非破壞性等特性，中子散射稱為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一，在眾多學科領域中被廣泛應用。

目前，中子散射技術在生物、生命、醫藥等研究領域發揮著X射線無法替代的作用。散裂中子源與同步輻射光源互為補充，已經成為基礎科學研究和新材料研發的最重要平台之一。同時，中子散射技術在磁性凝聚態物理、納米材料、高強度高性能塑料、蛋白質和生物、高溫超導機理、同位素辨識、工業無損深度探傷、污染及廢料處理等領域得到了廣泛應用。

工程方面有助於預防機翼斷裂

中子散射引發的技術改進，有助於預防機翼斷裂、管道嚴重腐蝕等。如果工程師們想知道某個部件何時可能發生損壞，以及能否使用不同的材料和加工工藝生產出一種壽命更長的部件，將中子散射結果與計算機模擬相結合，就能找到這些問題的答案。

醫藥方面可獲得DNA結構

了解蛋白質的工作原理是解開生命之謎的一把金鑰匙。為什麼蛋白質的作用這樣獨特而多變呢？這主要取決於每一種分子的複雜形狀，有的是橢球形，有的像碟子一樣，有的又像啞鈴。DNA分子決定了蛋白質的合成，中子散射可獲得DNA的形狀和結構，廣泛用於醫療方面，如醫治癌症或艾滋病之類的重症。

能源方面有助於利用可燃冰

我國已在南海發現可燃冰發育區，可燃冰的開發利用可能成為我國一種新型清潔能源。根據國家發改委近期出台的一份研究報告，中國在未來10年將投入8億元用於可燃冰的勘探研究。散裂中子源高壓下的中子衍射技術可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其研究成果將為安全、高效地開採和利用可燃冰提供科學依據。

散裂中子源是安全的射線裝置

散裂中子源是一台大型射線裝置，產生的輻射主要是瞬發性的。只要加速器一停機，輻射場隨即消失，同時也不再引起空氣、冷卻水以及土壤的活化。散裂中子源通常安置在地下隧道內，周圍用很厚的鋼筋混凝土牆來屏蔽輻射。在屏蔽外，劑量水平遠低於天然宇宙線產生的照射，大約只相當於宇宙射線對人體產生的劑量的1/10，並且只要加速器一停機，這種瞬發輻射隨即消失，不再對環境造成影響。即使工作人員，在工作場所5年所接受的劑量也僅與進行1次X射線胸透所接受的劑量相當。此外，散裂中子源還設計了嚴格的人身安全聯鎖系統，確保人身、環境安全。

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