[行業(yè)動態(tài)]“超級顯微鏡”——探秘中國散裂中子源
散裂中子源產(chǎn)生強脈沖中子，通過測量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程，探測樣品原子核的位置和運動狀況，為材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域的研究和工業(yè)應(yīng)用提供先進的研究平臺。中國散裂中子源是我國“十二五”期間建設(shè)的規(guī)模最大的大科學(xué)裝置，將成為世界上第四臺脈沖式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探測核外電子來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的同步輻射裝置互為補充，都是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的強有力工具。
1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們認識到原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀最重要的科技成就之一。
當(dāng)中子入射到樣品上時，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動量的變化，可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態(tài)。這種研究手段就叫中子散射技術(shù)。
做一個較為形象的比喻，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來，就能大致推測出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)。
由于中子不帶電、具有磁矩、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一，是多學(xué)科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運動的強有力手段。
同步輻射產(chǎn)生的高亮度X射線，主要與原子外圍的電子云發(fā)生相互作用，從而探知物質(zhì)的微觀信息；而中子是電中性的，它與電子云基本不發(fā)生相互作用，主要與物質(zhì)中的原子核相互作用。因此，作為探測微觀結(jié)構(gòu)的兩種主要探針，同步輻射和中子散射看到的正好是物質(zhì)的兩個不同的方面。這種優(yōu)勢互補，已經(jīng)被許多學(xué)科用來準確地研究物質(zhì)中原子的位置、排列、運動和相互作用等.
我們要進行中子散射的研究，要用中子做探針，去開展各種各樣的研究，就必須有一個適當(dāng)?shù)闹凶釉矗冗M的中子源是中子科學(xué)研究的基礎(chǔ)。如何能獲得產(chǎn)生高通量中子的中子源，一直是科學(xué)家不斷努力追求的目標。高通量的中子源包括反應(yīng)堆中子源和散裂中子源。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大的作用。通常使用235U作為核燃料，每次核裂變產(chǎn)生一個有效中子，而釋放180MeV的熱量。堆芯中如此大量的熱量必須及時有效地帶出，才能保證反應(yīng)堆正常運行。正是因為堆芯散熱條件的限制，反應(yīng)堆中子通量在上世紀六、七十年代就達到了飽和。
隨著科技的進步，相應(yīng)的研究體系如薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等，尺度分布更大，獲得數(shù)量在克量級的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應(yīng)運而生。
與核反應(yīng)堆中子源相比，散裂中子源具有許多獨特性能：高脈沖通量，豐富的高能短波中子，優(yōu)越的脈沖時間結(jié)構(gòu)。
散裂中子源除長波（低能）中子外，還有豐富的短波（高能）中子，為高能量和高動量轉(zhuǎn)移的中子散射提供了保證，適于研究原子尺度微結(jié)構(gòu)和研究較高能量的激發(fā)（光學(xué)聲子、氫原子擴散等）。散裂中子源的脈沖特性，可以同時利用幾乎所有波長的中子，適合測量大動量（能量）范圍里的散射截面，全面反映結(jié)構(gòu)和動態(tài)信息。
由于散裂中子源的這些獨特的性能，以及國際社會對安全評估要求越來越嚴，發(fā)達國家普遍利用散裂中子源進行中子散射研究。
裝置探秘：小中子，大裝置
雖然中子是如此微小，但產(chǎn)生強中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。
世界上正在運行的脈沖式散裂中子源主要有英國的 ISIS、美國的 SNS 和日本的J-PARC。
中國散裂中子源（CSNS）將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，躋身世界四大脈沖散裂中子源行列，從而大幅提升中國基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平。
CSNS 整個裝置建在13米到18米的地下。其主要建設(shè)1臺束流能量為80兆電子伏特的負氫離子直線加速器、1臺束流能量為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站、3臺譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程。CSNS一期工程中子譜儀數(shù)量為3臺（最多可建20臺），束流功率為100kW，且預(yù)留了進一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升級空間。
下圖給出了CSNS系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。離子源產(chǎn)生的負氫離子束流，通過射頻四極加速器（RFQ）聚束和加速后，由漂移管直線加速器（DTL）把束流能量進一步提高到80兆電子伏特，負氫離子經(jīng)剝離后注入到快循環(huán)同步加速器（RCS）中，使束流達到最后能量16億電子伏特。從RCS引出的高能質(zhì)子束流經(jīng)傳輸線打向鎢靶，釋放出中子，這些中子形成非常強的中子束流，中子再經(jīng)慢化后與實驗樣品發(fā)生散射，由中子散射譜儀探測，供用戶開展實驗研究。
設(shè)備研制：國產(chǎn)化率超過96%
CSNS由中科院和廣東省共同建設(shè)，選址于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，規(guī)劃用地1000畝，首期用地400畝。項目預(yù)計總投資為二十三億元人民幣。中科院高能物理研究所是該工程建設(shè)的法人單位，共建單位為中科院物理研究所。
CSNS的建設(shè)涉及大量先進技術(shù)，項目從2006年起開展了一系列關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)制研究工作，攻克了眾多技術(shù)難題。加速器、靶站和譜儀工藝設(shè)備的批量生產(chǎn)在全國近百家合作單位完成，許多設(shè)備的研制在達到國內(nèi)外先進水平，設(shè)備國產(chǎn)化率達到96%以上。
2011年10月，散裂中子源建設(shè)奠基。2014年10月，加速器首臺設(shè)備——負氫離子源進入隧道安裝。目前，項目土建工程已經(jīng)完成，加速器和靶站設(shè)備安裝基本完成，譜儀設(shè)備安裝緊張進行中，直線加速器正在調(diào)束。工程總體進展順利，計劃將于2018年竣工驗收。
應(yīng)用前景：多學(xué)科研究新平臺
1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，事故元兇竟然是老化的車輪。車輪在英國散裂中子源上檢測，發(fā)現(xiàn)其中的內(nèi)部裂痕。
事實上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應(yīng)力看不到、摸不著，對它的研究成了避免類似災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩余應(yīng)力，優(yōu)化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。
CSNS裝置的建設(shè)大大加強了國內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的國際交流和合作，為我國的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供了良好的機遇。
