洞悉微觀物質的頂級探針

若飴

分裂的癌細胞被針對性地消滅，卻不損傷正常細胞？埃博拉、非典、新冠等傳染性極強病毒將被短期治愈？或許這一天終將到來，而令其到來的變量就是“散裂中子源”。

在科學技術催生社會變革的當下，2021年1月26日，是一個值得國人銘記的日子。這一天，由中國科學院高能物理研究所東莞分部研發的“中國散裂中子源多物理譜儀”成功出束，標志著中國成為繼美、英、日之后世界上第四個擁有散裂中子源的國家。多數民眾不了解散裂中子源為何物，對其科研突破的重大意義更一知半解。下面就從散裂中子源的研發原理談起。

單從字面理解，散裂中子源，可分拆為兩個維度來理解：一是散裂反應，二是挖掘中子源。所謂“散裂反應”，是一種化學反應，通俗而言是高能粒子與原子核的作用過程。我們知道，所有物質均由原子組成。一個原子有一個由質子和中子組成并且被零或者多個電子環繞的核心。其中，原子核位于原子的核心部分，由質子和中子兩種微粒構成。散裂反應就是通過外加的高能粒子沖擊原子核產生的化學反應。

此種化學反應的目的之一便是將中子從原子核中釋放出來，要么與其他質子形成新原子核，要么被提煉出來作為測試用具。比如，較早啟動散裂中子科研的德國。1998年的德國高鐵事故之后，科學家利用中子散射裝置，將整個車輪放置在探測器中間，依托分析中子布局，最終發現車輪老化系造成事故的原因。又比如，已經具備散裂中子源應用能力的英國——科學家把整個飛機機翼吊裝到散裂中子源儀器的測量部位，直接觀察在什么加工工藝下，機翼的各個部分結構能得到最優化的性能。

一般而言，產生中子有兩種方式：一種是威力巨大的“核反應堆”。利用鈾235通過核裂變反應產生中子，但該方式的安全風險極大。因此，第二種產生中子的裝置“散裂中子源”應運而生。當然，目前的散裂中子源還停留在解構微觀世界的層面，并未抵達形成新原子核的階段。縱觀全球的科學技術發展進程，在尚未產生科學之前，人類是用肉眼去觀察和理解宏觀世界的。在人類觀察微觀世界的過程中，歷經了“光學顯微鏡”“電子顯微鏡”，如今迎來了依托散裂中子源形成的脈沖式顯微鏡。

實然，脈沖式顯微鏡依托的散裂中子源有四個核心步驟。一是高能質子轟擊重金屬靶;二是金屬原子產生散裂反應;三是散裂反應釋放出中子;四是收集釋放出的中子，用于探測被檢物體的微觀結構。這也解構了散裂中子源看穿微觀世界的基本原理。散裂中子源的優點在于加速質子使用的是高壓電場。只要切斷電源，質子就會立即停止轟擊金屬靶，不會有任何放射性污染且可控。因此，散裂中子源堪稱最安全的產生中子的方式。

如果說人工智能深入社會生活的方方面面是顯性的，距離我們越來越近，那么散裂中子源應用于我們的社會生活則是隱性的，其廣度和深度絕不亞于人工智能，甚至影響的深遠性將遠超AI技術。正如中國科學院高能物理研究所研究員、國家重點研發計劃首席科學家童欣教授所言，“散裂中子源好比一臺超級顯微鏡，能在不對物質造成破壞的前提下看穿材料的微觀結構”。

日本早在20世紀初就開始研究硼中子對抗分裂癌細胞的方法。2020年3月，世界上第一臺加速器BNCT設備和硼藥物正式獲得了日本厚生勞動省的批準，并應用于患者。這是硼中子俘獲療法在世界上首次正式進入臨床應用。在對抗癌癥的散裂中子源研究方面，日本無疑走在了世界的前列。至今，全世界基于反應堆的硼中子俘獲治療臨床試驗已經有1400多例。

值得欣喜的是，中國亦不甘人后。2020年8月，中國科學院高能物理研究所東莞分部成功研制了加速器硼中子俘獲治療實驗裝置，為腫瘤治療帶來了技術性革新的曙光。其原理是通過直線加速器，快速產生強流質子束，進而集中打靶，短時間產生中子，再經過慢化為超級中子“硼-10同位素”，達到治療需要的中子能量，形成中子束照射病灶，達到殺滅癌細胞的功效。形象地說，就是癌細胞會吸收硼-10同位素，那么中子束就會集中攻擊吸收了硼-10同位素的癌細胞，起到精準打擊的高效作用，只“殺死”癌細胞不損傷周圍細胞。

這一切要歸功于我國已經認識到散裂中子源在未來科技應用領域的重要性和非凡價值。早在2007年，中央就決定將散裂中子源科研工程落戶廣東省東莞市松山湖。2011年，硬件設施基本竣工，并對外開放，設置了中國散裂中子源工程的官網（http：//csns.ihep.cas.cn/）。2018年，該工程經國家驗收正式投入運行。位于松山湖的中國散裂中子源，是“十三五”時期我國建成的重大基礎科學裝置，總投資約人民幣23億元，是我國迄今為止單項投資規模最大的科學工程。截至2021年6月，中國散裂中子源的注冊用戶逾2000人，完成了來自全球眾多高等院校、科研院所及企業的課題超過500項，覆蓋了新型儲氫材料、鋰電子電池、新型超導材料、高強鋼、太陽能電池薄膜等眾多應用領域，并取得了重要成果。

之后，我國的脈沖式散裂中子源的運行束流功率歷經2018年9月的20kW、2019年1月的50kW、2019年10月的80kW，直至目前束流功率達到了100kW的設計指標。當然，相較于前面三個先行者而言，我們也存在需要追趕的領域。比如，運行束流轉功率方面。日本的1mW、美國的500 kW、英國的240 kW均比中國的100kW快得多。

如前文所述，要論應用領域的廣度和深度，散裂中子源絕對可以比肩人工智能技術。散裂中子源在材料科技、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域具有廣泛應用前景，能夠為產生高水平的科研成果提供有力支撐，并為解決國家發展戰略需求的許多瓶頸問題提供非常先進的平臺。散裂中子源的用處諸多，因此世界上發達國家都在建設散裂中子源上不遺余力。

目前，美國、英國、日本、中國均已經建成了脈沖型的散裂中子源裝置。四國都十分重視散裂中子源裝置在材料科技領域的應用。由于散裂中子源對于人工放射性同位素、中子活化分析、半導體器材、輻照加工等領域的突破發展具有重要意義，因此堪稱“材料內傷的顯微鏡”。

中國的散裂中子源裝置主要包括中子通用粉末衍射譜儀、多功能反射儀、小角中子散射儀等。以實驗需求十分旺盛的“中子通用粉末衍射譜儀”（GPPD）為例，它就是一臺超級CT機。不同的是，前者適用的對象是材料在分子、原子尺度上的微觀結構。中子通用粉末衍射譜儀可以通過記錄中子射入一種特定物質前后的軌跡特征，從而弄清其物質結構。目前，中子通用粉末衍射譜儀主要用于研究物體的晶體結構和磁結構，以滿足大多數來自材料科學、納米科學、凝聚態物理和化學等眾多領域的科學研究和工業應用的需求。這樣既可節省科研經費，又可縮短研究周期。

誠如中國科學院物理研究所研究員、GPPD系統負責人何倫華所說，“當前，新材料成為我國建設科技強國的重要突破口之一。常規方法研制新材料周期長、風險大且成功率低。中子通用粉末衍射譜儀可以幫助科研人員看清新材料的內部結構”。在未來，散裂中子源還可以協助考古人員對文物進行無損研究，通過散裂中子源，利用中子成像技術，看清文物的碳氫化合物構成，進而更易測算出文物的實際年齡。

毫無疑問，散裂中子源的深度科研，將打開人類對于微觀世界認識的新窗口，開啟人類構建微觀世界的新紀元！

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com

散裂中子源中國實驗基地