“超级显微镜”能“看”清什么

中国散裂中子源公园鸟瞰图。中国散裂中子源供应图

几天前，位于广东省东莞市的国家科学项目中国散裂中子源(CSNS)首次成功瞄准并获得中子束，标志着CSNS主体工程成功竣工并进入试运行阶段。中国的散裂中子源是什么？它看起来像什么？有什么用？安安全吗？这位记者到现场为你逐一宣布。

问题1:这是什么？

像“超级显微镜”一样，它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，它会与其原子核或磁矩相互作用，产生散射。通过测量散射中子能量和动量的变化，我们可以研究原子和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和运动状态。这种研究方法叫做中子散射技术。中国散裂中子源项目总指挥、项目经理、中国科学院院士陈和生说。

1932年，英国物理学家查德威克发现了中子，人们开始意识到原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。中子的发现和应用是20世纪最重要的科技成就之一。中子散射因其不带电、磁矩大、穿透性强、分辨轻元素、同位素和邻近元素的非破坏性能力，已成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一。与X射线一样，中子散射在多学科研究中是探测物质微观结构和原子运动的有力手段。

陈和生进一步解释道:“例如，假设我们面前有一张看不见的网，我们不断扔出许多玻璃球，其中一些穿过网，另一些击中网并以不同的角度弹开。如果这些弹珠的轨迹被记录下来，网的形状就可以被粗略地估计出来。如果弹珠有足够的毛发、足够的密度和足够的强度，就可以准确地描绘出网，甚至可以推断出它的材质。”

然而，为了研究中子散射，有必要使用中子作为探针，并有一个合适的中子源。先进的中子源是中子科学研究的基础。如何获得产生高通量中子的中子源一直是科学家们追求的目标。

高通量中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是稳定、连续的中子源，在中子科学研究中发挥着重要作用。然而，由于反应堆散热技术的限制，反应堆中子通量在20世纪60年代和70年代达到饱和。随着科学技术的进步，相应的研究系统，如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等，都有较大的规模分布，使得获得克级样品更加困难。因此，快速、高分辨率的小样品中子散射测量迫切需要新一代高通量、宽波段的中子源，散裂中子源应运而生。

“它用大型加速器的高能质子轰击重金属目标，引起金属原子的散裂反应，释放出大量中子。这些中子形成非常强的中子束。中子减速(中子与介质的原子核碰撞，导致中子能量减少并减速)，然后与样品一起散射，最终被中子散射光谱仪接收。我们的科学研究人员根据这些中子散射数据分析了被观察物体的微观特征。通俗地说，散裂中子源就像一台“超级显微镜”，可以研究脱氧核糖核酸、晶体材料、聚合物和其他物质的微观结构。”陈和生说。

问题2:它看起来像什么？

它非常大，建在地下13到18米处。

由于散裂中子源的这些独特性质和国际社会日益严格的安全评估要求，发达国家通常使用散裂中子源进行中子散射研究。目前，世界上运行脉冲散裂中子源的国家主要是英国、美国和日本。建成后，中国的散裂中子源将成为发展中国家的第一个散裂中子源，跻身世界四大脉冲散裂中子源之列，从而大大提高中国的基础研究和高技术水平。

虽然中子很小，但产生强中子束的散裂中子源是一个非常大的装置，由各种高、精、尖的设备组成。

记者在现场看到，安装在CSNS隧道地下13至18米。主要建设内容包括一台束能为80兆电子伏的负氢离子直线加速器、一台束能为16亿电子伏的快周期质子同步加速器、两条束流传输线、一个靶站和三台光谱仪，以及相应的配套设施和土木工程。

陈和生说:“CSNS一期工程的中子分光计数量为3台，未来最多将建造20台。目前，束流功率为100千瓦，我们保留了升级空间，以便进一步将束流功率提高到500千瓦，并修复第二个目标站。”

首批建造的三个光谱仪是通用粉末衍射仪、多功能反射镜和小角度散射仪。

“万能粉末衍射仪主要用于研究物质的晶体结构和磁性结构；多功能反射计通过分析样品反射的中子来研究物质的表面和界面结构。小角散射仪用于探测100纳米尺度的材料系统的微观和介观(一种介于宏观和微观之间的系统)结构。”陈和生说。

三个问题:有什么用？

它能使高铁和飞机更安全、更舒适，可用于肿瘤的放射治疗研究。

散裂中子源可以产生强脉冲中子，通过测量中子束在样品中的散射反应过程来探测样品核的位置和运动。因此，它在材料科学与技术、生命科学、物理、化工、资源环境、新能源等领域有着广阔的应用前景。

陈和生举了一个例子。“1998年6月，一列德国城际特快列车出人意料地出轨，最终发现罪魁祸首是老旧的车轮。车轮在英国散裂中子源上进行了测试，发现了内部裂纹。”

事实上，高速铁路的车轮和轨道以及飞机的涡轮和机翼都存在应力，这些应力决定了高速铁路和飞机的使用寿命和安全性。然而，这种压力是看不见也摸不着的，它的研究已经成为避免灾难的关键。现在，科学家已经能够测量和研究剥落中子源上的轮轨和机翼的残余应力，优化加工工艺，使高速铁路和飞机更加安全和舒适。

陈和生说:“散裂中子源技术在生物、生命、医学等研究领域也发挥着不可替代的作用。它补充了同步辐射源，成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。例如，来自散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射治疗研究，并已在许多发达国家得到应用。此外，在新型清洁能源可燃冰的开发利用中，可以利用高压散裂中子源下的中子衍射技术来研究可燃冰甲烷水合物的形成机理和稳定条件，其研究成果将为可燃冰的安全高效开发利用提供科学依据。”

CSNS装置的建设也将极大地加强中国中子散射科学与应用领域的国际交流与合作，为中国中子散射技术与应用在国际前沿占据一席之地提供良好的机遇。

“在CSNS建设期间，质子加速器、目标站和中子分光计的建设都涉及大量具有战略意义的高技术。这些技术难题需要中国最高水平科研力量的共同努力来克服。因此，该项目的建设将吸引大量世界级科学家开展科研活动。建成后，将吸引600多名国内外专家学者来东莞进行研究。”中国科学院物理研究所党委书记孙牧说。

问:安全吗？

在附近住了一年后，接收到的辐射量只相当于乘坐一架长途飞机。

如此巨大的科学装置有多安全？它会污染周围环境吗？

陈和生说:“CSNS基于新一代加速器，不需要核材料。它的能量来自电能，其辐射被严格控制在环境保护的安全范围内。我们计算过，如果我们在散裂中子源附近生活一年，居民受到的辐射只相当于乘坐一架长途飞机。”

据报道，CSNS附近已经建立了一个监测站，随时监测辐射情况。散裂中子源项目的环境影响报告也提出了事故的应急计划。由于散裂中子源是一个辐射装置，只要切断电源和关闭机器，中子源产生的主要辐射就会立即消失。

此外，散裂中子源与反应堆的核装置完全不同。不需要核材料，也没有连锁核反应。当加速器运行时，会有少量粒子丢失，产生二次粒子，如χ射线、γ射线、中子等。它们都是放射性的，通常被称为瞬时辐射。

“这些放射性物质比反应堆中子源低5-6个数量级，对环境的影响要小得多。此外，这些放射性物质将储存在国家指定的废物库中。”中国散裂中子源项目副经理陈说。

“只要加速器关闭，造成环境影响的主要辐射源就会消失，这可以说是和水龙头一样安全可靠。加速器由电子设备自动控制启动和停止。如果发生故障，加速器可以在几毫秒内关闭。发生地震等自然灾害时，散裂中子源机将停止运行，辐射场将立即消失。经过反复论证和研究，散裂中子源是一种相对清洁的射线装置陈和生说。