中國散裂中子源

你知道怎樣治療航空發(fā)動機的“心臟病”——葉片金屬疲勞嗎？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(fā)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？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……在這些聽上去十分“高大上”的領域里，散裂中子源都能發(fā)揮關鍵作用。

那么，如此“逆天”的散裂中子源到底是什么呢？

探針

物理學在過去一個世紀經歷了3次大的跨越：1 0 0多年前，科學家發(fā)現原子由原子核和電子組成；后來又發(fā)現原子核由質子和中子組成；從2 0世紀6 0年代開始，科學家逐步發(fā)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3次大跨越產生了豐碩成果，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?guī)又卮蠹夹g發(fā)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(tǒng)，都是以2 0世紀物理學的研究成果為基礎發(fā)展起來的。

如何研究微觀結構呢？我們在中學生物課上用顯微鏡來看花粉，看細胞；想看再精細一些的結構，可以用電子顯微鏡；但想要再精細些，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”，觀察材料的微觀結構。

之所以被科學家視作探索微觀世界的“探針”，是因為中子具備一些特性，如：不帶電但有磁矩；能夠探測原子核的位置，探測同步輻射不敏感的輕元素，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(tài)過程等。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，彈向不同方向。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。

裝置

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。散裂中子源以高能質子束轟擊重金屬靶，發(fā)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。

物理學有一條基本規(guī)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(chuàng)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(chuàng)新高地的關鍵要素，是國之重器、科技利器。

2 0 1 1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8 0 0 0萬電子伏特的直線加速器、一臺1 6億電子伏特快循環(huán)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1 6億電子伏特，速度相當于0.9 2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，制造和安裝過程困難重重。裝置各項設備的批量生產由全國近百家單位合作完成，國產化率達9 0% 以上，許多設備達到國際先進水平。2 0 1 7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。2 0 1 8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，從而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(huán)境、新能源等方面的基礎研究和高新技術研發(fā)提供了強有力支撐。

引擎

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1 1輪開放，每年運行時間超過5 0 0 0小時，開放時長和效率都處于國際同類裝置的領先水平。目前已完成了超過1 3 0 0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，為我國諸多領域的戰(zhàn)略需求和高科技產業(yè)提供了關鍵的研究平臺。在粵港澳大灣區(qū)，散裂中子源另外建設了8臺合作譜儀，已經陸續(xù)投入運行。

近年來，中國散裂中子源成為我國許多行業(yè)發(fā)展的強有力引擎：

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，對提升高鐵安全性和速度具有重要意義；

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(chuàng)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(huán)過程中的輸運行為，對鋰電池性能的提高提供了重要數據支撐；

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(huán)境，為解決電子元器件在大氣層內與地面的失效問題提供了重要手段，為飛機適航論證和航空器安全提供了研究平臺；

硼中子靶向腫瘤治療是利用中國散裂中子源發(fā)展起來的一種新的二元細胞級精準治療癌癥技術。硼中子俘獲治療項目作為推進散裂中子源技術產業(yè)化的第一個項目，臨床設備在東莞市人民醫(yī)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2 0 2 4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2 0臺，加速器打靶束流功率將從一期的1 0 0千瓦提高到5 0 0千瓦。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(tài)過程，為前沿科學研究、國家重大需求和國民經濟發(fā)展提供更先進的研究平臺。

你就說，厲不厲害！