微觀世界的“探針”

夏風

人類肉眼無法直接觀察微觀世界，所以人們需要借助各種設備來看清物質的結構。觀察細胞，可以用光學顯微鏡；觀察病毒，可以用電子顯微鏡；而觀察更小的微觀結構，可以用散裂中子源。

散裂中子源是什么

散裂中子源是由加速器提供的高能質子轟擊重金屬靶而產生中子的大科學裝置。其原理是把質子加速到一定的能量，然后把質子束當成“子彈”，去轟擊原子系數很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，特殊的裝置將這些中子“收集”起來后，就可以開展各種實驗了。

中子源有很多種，根據不同的產生方法，可分為放射性同位素中子源、自發裂變中子源、加速器中子源、反應堆中子源和散裂中子源。高通量的中子源包括反應堆中子源和散裂中子源。反應堆中子源是一種穩定而連續的中子源，不過反應堆散熱技術存在一定的限制和較大的危險，隨著科技的進步和研究材料的不斷更新，散裂中子源應運而生。

中子散射是一種強有力的探測手段。由于中子和光一樣具有波粒二象性，既有波的性質—可以反射、折射、衍射、吸收，又有粒子的性質—可以彈射、散射等，因此，中子能更輕松地穿透研究物體。將中子束打到研究物體上，部分中子會與物體的原子核發生相互作用，其運動方向也會發生改變，通過分析中子散射的軌跡、中子和物質發生作用時能量和動量的變化，人們就可以反推研究物體的結構。

全球建成的散裂中子源裝置共4個，分別是英國散裂中子源（ISIS）、美國散裂中子源（SNS）、日本散裂中子源（J-PARC）、中國散裂中子源（CSNS）。正在建設中的還有歐洲散裂中子源（ESS）。

散裂中子源的用途

散裂中子源是探測微觀世界的理想“探針”，可廣泛應用于探測研究航天航空部件、核電站部件、生命科學材料、量子材料、磁性材料、超導材料、新型儲氫材料、鋰離子電池、可燃冰、高性能金屬玻璃，等等。散裂中子源可為解決新能源、新材料等諸多領域的微觀機理及關鍵技術應用難點提供強有力的支持。

電池是制約電動汽車發展的關鍵技術之一，散裂中子源可以用來研究如何讓鋰電池容量更大、充電更快、使用更安全。比如，將鋰電池連同原位充放電設備放入中子散射譜儀內，實時原位測量在幾百次充放電的過程中鋰電池各個部分微觀結構和性能的變化，就能精確定位鋰電池的結構缺陷，從而為改進和優化鋰電池的設計提供關鍵數據。

殘余應力是消除外力或不均勻的溫度場等作用后，仍留在物體內的自相平衡的內應力。機械加工和強化工藝都能引起殘余應力，如冷拉、彎曲、滾壓、鑄造、焊接和金屬熱處理等。殘余應力一般是有害的，會引起零件發生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。可是，殘余應力的存在有時不會立即表現為缺陷，而是在零件因工作應力與殘余應力的疊加導致總應力超過強度極限時，才會出現裂紋和斷裂。1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，傷亡慘重。最終調查發現，事故的元兇竟然是老化的車輪（常規檢查中，并未發現車輪存在安全風險），而發現這個元兇的就是英國散裂中子源。

殘余應力看不到、摸不著，對它的研究成了避免災難發生的關鍵。科研人員可以通過散裂中子源去探測材料的內部結構，尋找材料內部潛在的微觀缺陷，研究材料的應力。這對人們后期優化機械加工工藝，提高材料的疲勞強度和耐磨性能，增加材料使用的安全性，有著十分重要的作用。

另外，散裂中子源在生物工程和醫藥領域也發揮著重要作用，比如用于腫瘤的放射性治療研究，這已在許多發達國家得到應用。

中國散裂中子源（CSNS） 坐落于廣東省東莞市大朗鎮，是我中國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，填補了國內脈沖中子應用領域的空白。整個裝置主要由一臺8000萬電子伏特負氫離子直線加速器、一臺16億電子伏特快循環同步加速器、一個靶站，以及一期三臺供科學實驗用的中子散射譜儀組成。2011年10月，項目在廣東東莞奠基。經過6年多的緊張建設，2018年8月23日，CSNS順利通過國家驗收，之后正式對全球用戶開放。

英國散裂中子源（ISIS） 屬盧瑟福·阿普爾頓實驗室RAL（Rutherford Appleton Laboratory），RAL由多個實驗室合并而成，是國際著名的大型核物理、同步輻射光源、散裂中子源、空間科學、粒子天體物理、信息技術、大功率激光、多學科應用研究中心。1985年10月，RAL建成了世界上亮度最高的散裂中子源ISIS，它也是國際凝聚態物質研究方面的主要力量。

ISIS有兩個靶站，因升級改造需要，目前ISIS處于停工狀態。二期相關設施的管理與建設正在進行中，這些設施將在2040年前投入使用。

美國散裂中子源（SNS） 是以加速器為基礎的中子源，耗資14億多美元，于2006年6月竣工。SNS的中央實驗室和辦公大樓目前每年接待幾百名世界各國的研究人員，與中央實驗室和辦公大樓相連的一座單獨建筑是納米相材料科學中心。SNS的設計留有余地，便于建造第二個靶裝置建筑，以使總的實驗能力提高一倍。SNS的金屬靶不是鉭靶或鎢靶，而是液體水銀靶，SNS是第一個采用水銀作為質子束流靶的科學裝置。

歐洲散裂中子源（ESS）一所正在建設中的跨領域科研機構，由13個歐盟國家共同出資建設和運營。ESS的實驗設施定址于瑞典隆德，而數據管理位于丹麥哥本哈根。

建成后的ESS將是世界上通量最高的脈沖型散裂中子源和最先進的粒子物理實驗室之一，將為進一步研究原子核結構提供更加完善的工具。ESS靶體的核心材料和中國散裂中子源的一樣—都是鎢，其鎢靶體材料重達11噸。運行時的鎢靶體溫度將達到幾百攝氏度，不過，這些散裂過程產生的熱將被回收并用于當地居民的加熱設施改造。