小中子有大能量 ——散裂中子源出束记

中国散裂中子源靶心全貌 中科院高能物理研究所供图

8月底的一个上午，在广东东莞国家大科学工程——中国散裂中子源靶站谱仪控制室中，工程总指挥兼工程经理陈和生发出指令，从加速器引出的质子束流首次打向金属钨靶。

一眨眼的功夫不到，科研人员便从6号和20号中子束线测量到两个慢化器输出的中子能谱，散裂中子源顺利获得中子束流。至此，中国首个散裂中子源主体工程宣告完工。

给微观结构“拍个片”

X射线能“拍摄”人体的医学影像，而在材料学、化学、生命科学等领域，科学家也希望寻找到一种高通量的“中子源”，能够像给人体拍片的X射线一般“拍摄”到材料的微观结构。科学家寻找到了散裂中子源。

当中子入射到样品上时，与它的原子核或磁矩发生相互作用，产生散射反应。通过测量散射的中子能量和动量的变化，可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律，告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这就是中子散射技术的基本原理。

“散裂中子源是通过非常强、非常短的脉冲去打水冷的钨靶，进而产生散裂过程。”陈和生介绍，质子打靶后，每个质子都会产生多个散裂的中子，这是得到强而短的中子脉冲的最佳办法。

得到中子脉冲后，科研人员可以通过在靶站周围建造的谱仪，测量中子脉冲打在样品上产生的讯号，从而获得样品物质结构的信息。

科研人员对散裂中子源作用原理作了一个形象的比喻。假设面前有一张看不见的网，科研人员不断扔出玻璃弹珠，弹珠或穿网而过，或打在网上弹向不同角度。通过记录弹珠的运动轨迹，科研人员便能大致推测网的形状。而如果弹珠发得够多、够密、够强，这张网就可以被精确描绘，甚至材质也能清晰判断。

不带电，具有磁矩，穿透性强，能分辨轻元素、同位素和近邻元素，具有非破坏性，这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的重要探针，也为中子散射获得了 “超级显微镜”的美誉。

应“需”而生

陈和生表示，英国对A380飞机机翼进行原位测量优化焊接和铆接工艺、美国对汽车尾气的有效催化排放研究、法国对地下水腐蚀核废料存储影响，都利用到了散裂中子源这种大科学装置。

散裂中子源的应用价值不容小觑，然而在探究物质结构的研究中，合肥国家同步光源、上海光源等大科学装置均已落地。那么，散裂中子源与同步辐射光源的差别又在哪元？

在科学家看来，这两种科学装置在物质结构研究中可谓科研人员的“左膀”与“右臂”。

“同步辐射X光作用的强度会随着原子序数的增加而增加，对于碳氢氧氮等轻元素的探测效果没那么好，而中子作用强度不会随原子序数增加而增加，比较适合做轻元素的研究。”中国散裂中子源工程实验分总体副主任梁天骄介绍说。

许多物质结构中轻元素与重元素同时存在，科研人员会选择用同步辐射确定重元素位置，而用散裂中子源确定轻元素位置。

不过，随着科技进步，如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等研究体系尺度分布越来越大，获得数量在克量级的样品量也更加困难，需要通量更高、波段更宽地进行小样品的快速、高分辨中子散射测量。可以说，是科研需求催生了我国散裂中子源大科学装置。

开枝散叶的大科学装置

“一般的调试都要半年，我们用了两周的时间就出束成功。”中科院高能物理所东莞分部副主任王生告诉《中国科学报》记者。对于中国散裂中子源的科研人员而言，此次获得中子束的调试可谓相当顺利。更令科研人员感到自豪的是，散裂中子源设备的国产化率达到96%以上，是一个地道国产化的大科学装置。

“我们希望利用大科学装置，引领科研人员和企业推动相关高技术领域的发展。”中国散裂中子源工程副经理陈元柏说。

例如，散裂中子源中快循环同步加速器中的25赫兹交流磁铁，在我国属首次研制，铁芯和线圈的振动开裂、涡流发热等新问题一度令科研人员一筹莫展。经过科技人员与工厂技师6年的联合攻关，研制出了合格的磁铁，还创新性地给出了谐振电源的谐波补偿方法，解决了多台磁铁之间的磁场同步问题。

散裂中子源建设借助技术突破，既推动了相关高技术领域的发展，也对珠三角地区形成了强大的科技辐射。

陈和生告诉记者，下一步用户谱仪的建设，已有东莞理工学院牵头拟建的多物理谱仪、东莞材料基因高等研究院拟建的材料谱仪、南方科技大学准备筹建的高压谱仪、工信部五所拟建的大气中子谱仪正在规划，此外，香港城市大学、香港科技大学与澳门科技大学等也都对散裂中子源表示了浓厚的兴趣。

展望未来二期工程，当散裂中子源的20台谱仪全部建成，束流功率从100千瓦升级到500千瓦时，散裂中子源将在中国乃至世界的相关研究中释放更大能量。