中国首台散裂中子源建成 将微观世界看通透

中国散裂中子源公园。

中国科学院高能物理研究所提供的数据

中国散裂中子源靶站。

中国科学院高能物理研究所提供的数据

日前，国家“十一五”重大科技基础设施“中国散裂中子源”在广东东莞建成，按时高质量完成了全部工程建设任务，并通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。这是中国第一个脉冲散裂中子源，也是世界第四个脉冲散裂中子源。它的建成填补了我国脉冲中子应用领域的空白，为材料科学技术、生命科学、资源与环境、新能源等领域的基础研究和高科技发展提供了强有力的研究方法。

像超级显微镜一样，它可以研究DNA和其他物质的微观结构。

中国的散裂中子于2011年9月开始建设，建设期为6.5年，总投资约23亿元。其结构的主要内容包括一个线性加速器、一个快周期同步加速器、一个目标站和三个用于第一阶段中子散射实验的中子分光计。它是各种高、精、尖设备的集合体。

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。

那么，什么是中子散射？它如何探测物质的微观结构和原子的运动？

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:“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。"

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。散裂中子源正好满足要求。

“散裂中子源用来自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并释放大量中子。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观察对象的微观特征。”陈和生说，“通俗地说，散裂中子源就像一个‘超级显微镜’，可以研究DNA、晶体材料、聚合物和其他物质的微观结构。”

在材料科学技术、生命科学、新能源等领域具有广阔的应用前景

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。例如，1998年6月，一列德国城际特快列车意外出轨，最终发现罪魁祸首是老化的车轮。车轮在英国散裂中子源上进行测试，发现内部裂纹。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。“现在科学家可以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，使高铁和飞机更加安全舒适。”陈和生说。

散裂中子源技术应用广泛。

例如，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。

中子散射是研究锂电池的利器。大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键。汽车锂电池与模拟充放电过程的设备一起，可以放入中子散射光谱仪，实时、原位测量数百次充放电过程中锂电池各部分性能的变化，为锂电池的改进和优化设计提供关键数据。国外所有的散裂中子源都建造了专门用于锂电池的光谱仪，并严格保密。

中子散射也可用于文物的无损研究。例如，如果你想知道中国南北朝时期佛像的制作过程，你不能把文物分成八块来分析。利用中子成像技术，我们可以在佛像中间看到一个木制“大梁”。这是因为中子散射对光元素非常敏感。中间的棍子是木头做的，也就是碳氢化合物。中子很容易“看见”它。因此，科学家们可以清楚地了解这座佛像的制作过程:首先，在中间竖起一根木梁，然后在木梁周围缠绕一个“支撑架”，最后用粘土制成。

设备定位率超过90%，目标站最高中子效率达到国际先进水平。

2017年8月，中国的散裂中子源首次成功瞄准并获得一束中子。目标波束功率接受指数在2017年11月达到。在2018年春节期间，科学研究人员继续他们紧张的任务。在此期间，加速器稳定运行，光束功率和连续运行时间达到光束调节以来的最高值。前三个中子谱仪，即通用粉末衍射仪、小角度散射仪和多功能反射仪，成功地完成了样品实验。通用粉末衍射仪已经完成了两个高水平的用户实验。

在这次验收中，工艺评定和验收专家委员会评定中国散裂中子源的性能均达到或超过了国家发展和改革委员会批准的验收指标。该装置总体设计科学合理，研制的设备质量优良，调试速度快于国外散裂中子源。目标站的最高中子效率达到国际先进水平。

通过自主创新和集成创新，中国散裂中子源在加速器、靶站和光谱仪方面取得了一系列重大技术成果。设备国产化率超过90%，显著提高了中国相关产业在磁体、电源、探测器、电子等领域的技术水平和自主创新能力。，使中国在高强度质子加速器和中子散射领域实现重大跨越，其技术和综合性能进入国际同类设备先进行列。

陈和生说:“例如，在中国，第一次成功地开发了大型2极和4极磁体和25Hz交流谐振激励电源。交流磁场的精度已达到同类设备的国际领先水平。自主开发的液氢慢化剂通过靶-慢化剂-反射器等的紧密耦合的物理和工程设计，确保了靶站的高中子效率。”

中国散裂中子源建成后，将充分发挥材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学领域三个谱仪一期的作用，为广大用户提供一个国际先进的研究平台，为中国中子散射技术和应用在国际前沿占据一席之地提供良好的机遇。

同时，为了充分发挥装置的作用，满足用户对中子散射研究和应用的迫切需求，专家委员会建议我国散裂中子源应尽快达到设计指标，实现稳定运行。在设备通过验收后，将尽快启动第二阶段项目，并开始后续的光谱仪建设，以进一步提高光束功率。