中國散裂中子源園區(qū)。 中科院高能物理研究所供圖

日前，建在廣東東莞的我國“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國散裂中子源按期、高質(zhì)量完成了全部工程建設(shè)任務(wù)，通過了中國科學院組織的工藝鑒定和驗收。這是中國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，它的建成填補了國內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，為我國材料科學技術(shù)、生命科學、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供了強有力的研究手段。

像一臺超級顯微鏡，可以研究DNA等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

中國散裂中子源于2011年9月開工建設(shè)，工期6.5年，總投資約23億元。其主要建設(shè)內(nèi)容包括一臺直線加速器、一臺快循環(huán)同步加速器、一個靶站，以及一期三臺供中子散射實驗用的中子譜儀，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。

1932年，英國物理學家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們開始認識到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀最重要的科技成就之一。由于中子不帶電，具有磁矩，且穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學性質(zhì)的理想探針之一，和X射線一樣，是多學科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運動的強有力手段。

那么，什么是中子散射？它又是怎么探測到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運動的？

中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生介紹：“當一束中子入射到研究樣品上時，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態(tài)。”

陳和生進一步解釋說：“打個比方，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來，就能大致推測出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)。”

然而，進行中子散射的研究，需要用中子做探針，就必須有一個適當?shù)闹凶釉矗冗M的中子源是中子科學研究的基礎(chǔ)。散裂中子源正好符合需求。

“散裂中子源是用來自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應(yīng)，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強的中子束流，中子慢化（中子與介質(zhì)原子核碰撞，引起中子能量減少而減速的現(xiàn)象）后與樣品發(fā)生散射，最后由中子散射譜儀接收，我們科研人員就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測物體的微觀特征。”陳和生說，“通俗點說，散裂中子源就像一臺‘超級顯微鏡’，可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。”

在材料科學技術(shù)、生命科學、新能源等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景

散裂中子源可以產(chǎn)生強脈沖中子，并通過測量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程，探測樣品原子核的位置和運動狀況，因此，在材料科學技術(shù)、生命科學、物理、化學化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景。例如，1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國散裂中子源上檢測的，發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕。事實上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼，里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應(yīng)力看不到、摸不著，對它的研究成了避免災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵。“現(xiàn)在科學家已經(jīng)可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩余應(yīng)力，優(yōu)化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。”陳和生說。

散裂中子源技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。

例如，在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩(wěn)定條件，其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學依據(jù)。

中子散射是研究鋰電池的利器。大幅度地提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關(guān)鍵，可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀，實時原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分性能的變化，為改進和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。國外的散裂中子源都建設(shè)了這樣專門研究鋰電池的譜儀，且嚴加保密。

中子散射還可以對文物進行無損研究。比如想知道我國南北朝時期的一尊佛像的制造工藝，卻無法把文物大卸八塊進行分析。利用中子成像技術(shù)，可以看到佛像的中間有一根木制“主梁”。這是因為中子散射對輕的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳氫化合物，中子可以輕易地“看到”它。由此，科學家能清晰地了解這尊佛像的制造工藝：先在中間立一根木梁，在木梁周圍纏上“支撐架”，最終用黏土制成。

設(shè)備國產(chǎn)化率超九成，靶站最高中子效率達到國際先進水平

2017年8月，中國散裂中子源首次打靶成功并獲得中子束流；2017年11月達到打靶束流功率的驗收指標；2018年春節(jié)期間，科研人員繼續(xù)進行緊張的調(diào)試運行。期間加速器運行穩(wěn)定，束流功率和連續(xù)運行時間均創(chuàng)調(diào)束以來的新高，首期三臺中子譜儀，即通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀，都順利完成樣品實驗。通用粉末衍射儀已經(jīng)完成了兩個高水平的用戶實驗。

此次驗收中，工藝鑒定驗收專家委員會評價：中國散裂中子源性能全部達到或優(yōu)于國家發(fā)改委批復(fù)的驗收指標。裝置整體設(shè)計科學合理，研制設(shè)備質(zhì)量精良，調(diào)試速度快于國外的散裂中子源。靶站最高中子效率達到國際先進水平。

中國散裂中子源通過自主創(chuàng)新和集成創(chuàng)新，在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術(shù)成果。設(shè)備國產(chǎn)化率超過90%，顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測器及電子學等領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力，使我國在強流質(zhì)子加速器和中子散射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大跨越，技術(shù)和綜合性能進入國際同類裝置先進行列。

陳和生說：“例如國內(nèi)首次研制成功25Hz交流諧振勵磁的大型二極和四極磁鐵及電源，交流磁場精度達到同類裝置國際領(lǐng)先水平；自主研制成功液氫慢化器，通過靶—慢化器—反射體緊湊耦合的物理和工程設(shè)計，保證靶站高中子效率，等等。”

中國散裂中子源建成后，將充分發(fā)揮一期三臺譜儀在材料科學、生命科學、凝聚態(tài)物理和化學等領(lǐng)域的作用，為廣大用戶提供國際先進的研究平臺，為我國的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供良好的機遇。

同時，為了充分發(fā)揮裝置作用，滿足中子散射研究和應(yīng)用用戶迫切需求，專家委員會建議：中國散裂中子源應(yīng)盡快達到設(shè)計指標，實現(xiàn)穩(wěn)定運行。在裝置通過驗收后盡快啟動二期工程立項，開始后續(xù)譜儀建設(shè)，進一步提升束流功率。