發(fā)布日期：2018-08-28
沿著G94珠三角環(huán)線高速行車至莞佛高速交匯處附近，道路中的指示牌就會出現(xiàn)“中國散裂中子源（CSNS）”的標志字樣，十分醒目，但絕大多數(shù)經(jīng)過此處的車主，卻并不清楚這個名稱背后所代表的確切含義。
8月23日，隨著中國散裂中子源通過國家驗收，投入正式運行，我國成為繼英、美、日之后，第四個擁有散裂中子源的國家。這個坐落于廣東東莞的國家重大科技基礎設施也終于揭開了神秘面紗，開始闊步邁入前沿科學研究的舞臺中心。散裂中子源究竟為何物？和我們的日常生活有關系嗎？本期科技能見度，就帶您走近這個高精尖的國之重器，看看它究竟有哪些本事。
把質子束當成“子彈”去轟擊重金屬靶
8月23日下午，天氣晴熱。在中國散裂中子源一期建設園區(qū)內，受國家發(fā)改委委托、中國科學院組織的國家驗收會正在進行。
驗收會從下午兩時半開始，經(jīng)過詳細匯報和反復討論，一直持續(xù)到傍晚六時。最終，國家驗收委員會專家們給出了正式的驗收意見。專家認為，中國散裂中子源的各項指標均達到或優(yōu)于批復的驗收指標。裝置整體設計先進，研制設備質量精良，靶站最高中子效率和三臺譜儀綜合性能達到國際先進水平。
由此，我國首臺散裂中子源、粵港澳大灣區(qū)首個國家重大科技基礎設施，按指標、按工期、高質量地完成了工程建設任務，將正式投入運行，對國內外各領域用戶開放。
對于普通人來說，想要真正理解這個大科學裝置的意義卻并不容易，首先還要從了解這個裝置的原理及作用入手。
散裂中子源常常被比作一臺觀察物質微觀結構的“超級顯微鏡”。例如，同樣都是由碳元素構成的物質，世界上最硬的材料之一金剛石和我們日常使用的鉛筆芯材料石墨的物理性質，就有巨大差異。為何差距如此之大呢？這時散裂中子源就能發(fā)揮作用了。
那么，如何觀察物質的微觀結構？在現(xiàn)代科學產(chǎn)生之前，人類用肉眼去觀察和理解世界。后來，科學家發(fā)明了光學顯微鏡，人類第一次看到了肉眼無法直接觀察到的細胞和細菌等微觀世界。而電子顯微鏡比光學顯微鏡的分辨率要高1000倍左右，可以看到更小的病毒。
隨著人類對微觀世界的探索的技術手段提高，“超級顯微鏡”散裂中子源也應運而生。
該裝置的工作原理，是將質子加速到16億電子伏特，速度相當于0.9倍光速，然后把質子束當成“子彈”，去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊產(chǎn)生中子，再射向樣品，科學家通過圍繞樣品的譜儀收集被散射的中子，從而可精確反推出樣品的物質結構。
研究物質材料微觀結構的理想探針
中子是研究物質材料微觀結構的理想探針，但在自然狀態(tài)下不易獲取，因此必須建造特定裝置來獲得穩(wěn)定的中子束流。產(chǎn)生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的核反應堆，利用鈾235的核裂變反應產(chǎn)生中子，但這種方式對于安全性是很大的威脅。
散裂中子源則不使用核燃料，而且熱功率低，因此成為了國際上先進中子散射源的發(fā)展趨勢。其加速質子使用的是高頻電磁場，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，因此是最安全的產(chǎn)生中子的方式。
不過，散裂中子源裝置極為龐大，而且部件繁多，工藝極其復雜，制造和安裝難度極大。此前，世界上僅有英、美、日三國各建造了一臺。例如漂移管直線加速器，安裝的誤差不能超過0.05毫米，比一根頭發(fā)絲還細；散裂中子源的“眼睛”——中子探測器，此前的核心技術掌握在外國人手中，但經(jīng)過中國科研人員攻關，克服了層層技術難關，使得項目順利建成。
中國散裂中子源一期，包括一臺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(huán)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。
中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理陳和生告訴記者，該裝置的建成，填補了國內脈沖中子源及應用領域的空白，將為諸多領域的基礎研究和高新技術開發(fā)提供強有力的研究平臺，例如物質科學、生命科學、資源環(huán)境、新能源等。它的投入運行，對我國探索前沿科學問題、攻克產(chǎn)業(yè)關鍵核心技術、解決“卡脖子”問題具有重要意義。
未來有望為癌癥患者帶來福音
那么，散裂中子源究竟有何用途呢？陳和生舉例道，“我們可以利用散裂中子源來研究大型金屬部件的殘余應力，這對于提高高鐵關鍵部件和航空發(fā)動機部件的性能，以及核電站部件的服役性能十分重要。此外，可燃冰、磁性材料的研究，以及化學反應催化劑的原位研究等，都可以使用散裂中子源。”
實際上，中子散射在日常生活中的應用也非常廣泛。例如，中子散射是研究鋰電池的利器。眾所周知，大幅度提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關鍵?？茖W家可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的設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)化鋰電池的設計提供關鍵數(shù)據(jù)。
在能源材料領域，氫動力汽車比以汽油為燃料的汽車更加節(jié)能環(huán)保。為實現(xiàn)氫氣的穩(wěn)定儲存，需要把氫氣變成密度更高的固體。最簡單的辦法是給氫氣加壓，但又有容易引發(fā)爆炸的危險。現(xiàn)代科學家用一種金屬——有機框架材料，可以把氫氣吸進去，要用的時候再把氫氣釋放出來。而中子散射就可以幫助科學家研究，氫氣在金屬的什么位置、什么情況下可以更好地釋放。
與普通人生活相關的應用在醫(yī)療領域。去年8月，中國科學院高能物理研究所與東陽光集團舉行了硼中子俘獲治療項目合作簽約。硼中子俘獲治療的原理是先為病人注射一種含硼的藥物，該藥物會迅速聚集于癌細胞內。當中子源裝置產(chǎn)生中子通過照射，被癌細胞內的硼俘獲，就會在體內發(fā)生很強的核反應，釋放出殺傷力極強的射線，可以殺死癌細胞而不損傷周圍組織。這種療法具有安全性高、定位精準、價格相對低廉等優(yōu)點。因此，散裂中子源與醫(yī)藥企業(yè)聯(lián)手，未來有望為癌癥患者的治療帶來福音。
事實上，自2018年3月試運行以來，散裂中子源首期三臺譜儀已完成10個用戶單位16個研究組的21個樣品實驗，并取得了首批重要科學成果。這些實驗均針對國家重點發(fā)展領域，充分發(fā)揮了中子散射的特點，涵蓋了能源、物理、材料、工程等多個前沿交叉和高科技研發(fā)領域，如鋰離子電池材料、稀土磁性、新型高溫超導、功能薄膜等。
散裂中子源工作原理
1 負氫離子產(chǎn)生后，在直線加速器里加速，經(jīng)過剝離掉電子轉化成質子
2 質子束積累到足夠流強后，再注入環(huán)形加速器繼續(xù)加速
3 當質子束達到16億電子伏的能量后，從環(huán)形加速器引出，經(jīng)傳輸線打向金屬鎢靶
4 金屬鎢原子核在高能質子的轟擊下，發(fā)生散裂反應釋放出中子，一個質子在打靶后大概可以產(chǎn)生20—30個中子
5 高能中子束流脈沖非常短又非常強，經(jīng)過慢化器慢化處理后，通過中子導管引向各種研究用的譜儀，才能讓中子與試驗樣品的原子碰撞
6 中子譜儀會記錄下碰撞后中子的運動軌跡，供用戶進行實驗研究
展望：助推粵港澳大灣區(qū)科創(chuàng)高地建設
散裂中子源支撐的學科研究和應用領域眾多，是目前國際上公認的、與大型光源互補，卻發(fā)揮著無法被取代的新一代科學研究和先進材料研發(fā)的主流大科學裝置。十余載磨一劍，各方對于散裂中子源未來的設想遠未止步。
在東莞市有關構想中，還希望借鑒英國盧瑟福國家實驗室等成功經(jīng)驗，以散裂中子源為核心，規(guī)劃建設一個中子科學城，引進更多重大科學裝置和實驗室，以及一批項目研究所及研究型大學分部，搭建和運營國家實驗室群。中科院高能物理研究所也在為這一構想提供智力支持。
“衡量用戶裝置成功與否的主要標準是用戶的科技成果和對滿足國家戰(zhàn)略需求的貢獻。”陳和生表示。
依托中國散裂中子源，“同步輻射光源”項目已經(jīng)在積極考察籌備，材料科學與技術廣東省實驗室也選址在附近開始籌建，可以預見的是，未來將能吸引大批材料科學領域的高水平人才。
與此同時，粵港澳大灣區(qū)的研究機構和高校對利用散裂中子源也表現(xiàn)得非常積極，紛紛要求出資共建譜儀，表現(xiàn)出強勁的用戶需求。
目前，散裂中子源已經(jīng)建成了三臺譜儀，包括一臺通用粉末衍射儀、一臺多功能反射儀和一臺小角散射儀。按照規(guī)劃，未來還將陸續(xù)建設17臺不同類型的譜儀。其中，包括正計劃與珠三角等地的用戶共建的5臺譜儀。例如，與東莞理工學院和香港城市大學合作建設“多物理譜儀”、與南方科技大學合作建設“高壓粉末衍射儀”、與工信部電子五所合作建設“大氣中子輻照譜儀”等等。
中國科學院院士、高能物理研究所所長王貽芳曾表示，中國散裂中子源選址于廣東省東莞市，這是國家大科學裝置首次在我國南方經(jīng)濟強省建設布局，優(yōu)化了科研設施在全國的布局，有利于增強南方經(jīng)濟強省的科研創(chuàng)新能力，對促進珠三角地區(qū)的經(jīng)濟轉型升級，建設華南科技創(chuàng)新高地，助力粵港澳大灣區(qū)建設等，都具有重要意義。（記者 陳啟亮）
來源：南方日報
