散裂中子源探索微觀世界的超級顯微鏡

你知道怎樣破解航空發動機的“心臟病”嗎？那就要克服制約其性能的最大瓶頸之一——葉片金屬疲勞。金屬也會疲勞，每分鐘幾萬轉，轉得久了，就存在裂碎風險。散裂中子源可以用于航空發動機葉片應力測試，以探測和預防金屬疲勞。

你知道分布于深海或陸域永久凍土中的可燃冰嗎？要想安全開采、儲藏、運輸和利用可燃冰，就需要了解它的結構和性質。可燃冰是甲烷與水在高壓低溫條件下形成的結晶物質，科學家必須將其放在很厚的金屬容器內，模擬千米水深下的巨大壓力。中子對組成可燃冰的碳氫化合物最敏感，通過散裂中子源就可以隔著厚厚的金屬容器進行可燃冰研究。

研究電動汽車的電池性能，研究催化劑的作用機理，研究芯片的單粒子效應，研究高溫超導材料的自旋漲落，在這些領域，散裂中子源都能發揮關鍵作用。

在廣東省東莞市松山湖科學城，緊鄰高速公路，有一片依山而建、造型獨特的建筑群，山坡上矗立著“中國散裂中子源”幾個大字。中國散裂中子源（CSNS）是我國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，為國際前沿基礎科學研究和國家發展戰略諸多領域提供先進的中子散射研究和應用。它的成功建設，填補了國內脈沖中子源及應用領域的空白，技術和綜合性能進入國際同類裝置先進行列，顯著提升了我國在相關領域的技術水平和自主創新能力。

中子是探索微觀世界的理想“探針”

物理學在過去一個世紀經歷了三次大的跨越，從原子物理深入到原子核物理，再深入到粒子物理。100多年前，科學家發現原子由原子核和電子組成，后來又發現原子核由質子和中子組成，從20世紀60年代開始，科學家逐步發現組成原子核的質子和中子是由更深層次的粒子——夸克組成的。

應該說，這三次大的跨越產生豐碩成果，在不斷深入到物質微觀結構新層次的研究過程中，物質結構理論取得重大突破，并且帶動重大技術發明，轉化成巨大生產力。我們現在用的半導體、電視、手機、計算機、激光以及全球定位系統，都是以20世紀物理學的研究成果為基礎發展起來的。

如何去研究微觀結構呢？我們在中學生物課上用顯微鏡來看花粉、看細胞。如果想看再精細一些的結構，可以用電子顯微鏡。更精細的，就要用到我們稱之為超級顯微鏡的散裂中子源、同步輻射光源等。散裂中子源作為一臺超級顯微鏡，是以中子為“探針”，看穿材料的微觀結構。

中子具備一些特性，如不帶電，但是有磁矩；能夠探測原子核的位置，探測同步輻射所不敏感的輕元素，比如碳、氫、氧、氮等元素的位置；穿透能力非常強，能夠用來原位研究大的工程部件的殘余應力和金屬疲勞；可以探測物質結構的微觀動態過程等。因此，它被科學家視作探索微觀世界的理想“探針”。當中子與被研究對象的原子核相互作用而改變運動方向時，科學家通過分析散射中子的軌跡、能量和動量變化，就能反推出物質的結構。這就好像我們不斷往一張看不見的網上扔彈珠，有的彈珠穿網而過，有的則打在網上，彈向不同角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡，就能大致推測出網的形狀。如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強，就能把這張網的組成精確地描繪出來。

大科學裝置是國之重器、科技利器

中子其實在我們周圍到處都存在，但這些中子都被束縛于原子核中，無法自由運動。我們要用中子做探針，就需要自由的中子。自由的中子從何而來？這就需要專門產生大量自由中子的裝置，可以通俗地稱之為產生中子的“工廠”。這樣的“工廠”主要有兩類：一類是反應堆中子源，還有一類是散裂中子源，它通過高能質子束去轟擊重金屬靶，發生散裂反應，從而產生高通量短脈沖中子束流。國際上的先進中子源正在逐步從反應堆轉向散裂中子源，因為其性能更好，而且安全性更高。

你知道怎樣破解航空發動機的“心臟病”嗎？那就要克服制約其性能的最大瓶頸之一——葉片金屬疲勞。你知道分布于深海或陸域永久凍土中的可燃冰嗎？要想安全開采、儲藏、運輸和利用可燃冰，就需要了解它的結構和性質。

物理學有一條基本規律，研究越小的尺度，需要越高的能量。隨著物質結構的研究深入到原子核和粒子的層次，研究物質微觀結構的尺度越來越小，就需要使用能量越來越高的粒子。加速器可以產生高能量粒子，加速器做得越大，能量有可能越高，于是催生了各種基于大型加速器的重大科技基礎設施，也稱大科學裝置。

這些大科學裝置具有鮮明的科學和工程雙重屬性，知識創新和科學成果產出豐碩，技術溢出、人才集聚效益非常顯著，因此往往成為國家創新高地的關鍵要素，是國之重器、科技利器。

2011年9月，中國散裂中子源裝置在廣東東莞開工建設。一期建設內容包括一臺8000萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特快循環同步加速器、一個靶站，以及3臺供科學實驗用的中子散射譜儀。其工作原理是將質子加速到16億電子伏特，速度相當于0.92倍光速，把質子束當成“子彈”，去轟擊重金屬靶。金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家便通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實驗。

散裂中子源裝置不僅極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復雜，制造和安裝過程克服了重重困難。裝置各項設備的批量生產由全國近百家合作單位完成，國產化率達90%以上，許多設備達到國際先進水平。2017年8月，中國散裂中子源首次打靶就成功獲得完全符合預期的中子束流。2018年，中國散裂中子源按指標、按工期高質量完成了工程建設任務，從此實現了強流質子加速器和中子散射領域的重大跨越，為物質科學、生命科學、資源環境、新能源等方面的基礎研究和高新技術研發提供強有力支撐。

散裂中子源是提供先進中子散射研究和應用的大型交叉平臺

自中國散裂中子源通過國家驗收進入正式運行階段以來，已完成11輪開放，每年運行時間超過5000小時，開放時長和效率都處于國際同類裝置的領先水平。目前已完成超過1300個科研課題，取得了一批重要科學成果，如鋰離子電池、太陽能電池結構、稀土磁性、新型高溫超導、量子材料、功能薄膜、高強合金、芯片單粒子效應等，為國家諸多領域的戰略需求和高科技產業提供關鍵的研究平臺。在粵港澳大灣區，散裂中子源另外建設了8臺合作譜儀，已經陸續投入運行。

近年來，中國散裂中子源對國產高鐵車輪進行內部深度殘余應力測量，給出了高鐵車輪完整的應力數據，對高鐵安全性和提速具有重要意義；利用中子的穿透能力和對復雜組分的定量識別能力，解釋了創造世界紀錄的高屈服強度且韌性好的超級鋼的新機制；通過實時原位測量，研究汽車鋰電池的結構特征和鋰離子在充放電循環過程中的輸運行為，對鋰電池性能提高提供重要數據支撐；運行大氣中子譜儀，加速模擬宇宙射線打到大氣層產生的中子輻照環境，為解決電子元器件在大氣層內與地面的失效問題提供重要手段，為飛機適航論證和航空器安全提供研究平臺。

散裂中子源積極推動相關技術成果轉化。硼中子靶向腫瘤治療，是一種新的二元細胞級精準治療癌癥技術，利用中國散裂中子源發展起來的技術所研制的。硼中子俘獲治療項目作為推進散裂中子源技術產業化的第一個項目，臨床設備在東莞市人民醫院已完成安裝和調試，即將開始臨床試驗。

中國散裂中子源二期工程于2024年1月正式啟動。二期工程建成后，中國散裂中子源的譜儀數量將增加到20臺，加速器打靶束流功率將從一期的100千瓦提高到500千瓦。新的譜儀和實驗終端建成后，中國散裂中子源的設備研究能力將大幅提升，實驗精度和速度將顯著提高，能夠測量更小的樣品、研究更快的動態過程，為前沿科學研究、國家重大需求和國民經濟發展提供更先進的研究平臺。

中國散裂中子源的建成恰逢大科學裝置發展的好時代，肩負發展中國中子散射研究和應用的重任，為國家創新發展提供重要引擎，為實現高水平科技自立自強作出貢獻。

◎ 來源| 人民日報