將微觀世界看通透

我國首臺脈衝型散裂中子源建成

將微觀世界看通透（厲害了，中國科技）

日前，建在廣東東莞的我國“十一五”國家重大科技基礎設施——中國散裂中子源按期、高質量完成了全部工程建設任務，通過了中國科學院組織的工藝鑑定和驗收。這是中國首臺、世界第四臺脈衝型散裂中子源，它的建成填補了國內脈衝中子應用領域的空白，為我國材料科學技術、生命科學、資源環境、新能源等方面的基礎研究和高新技術開發提供了強有力的研究手段。

像一臺超級顯微鏡，可以研究DNA等物質的微觀結構

中國散裂中子源於2011年9月開工建設，工期6。5年，總投資約23億元。其主要建設內容包括一臺直線加速器、一臺快迴圈同步加速器、一個靶站，以及一期三臺供中子散射實驗用的中子譜儀，是各種高、精、尖裝置組成的整體。

1932年，英國物理學家查德威克發現了中子，人們開始認識到原子核是由帶正電的質子和不帶電的中子構成的。中子的發現及應用是20世紀最重要的科技成就之一。由於中子不帶電，具有磁矩，且穿透性強，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結構和動力學性質的理想探針之一，和X射線一樣，是多學科研究中探測物質微觀結構和原子運動的強有力手段。

那麼，什麼是中子散射？它又是怎麼探測到物質微觀結構和原子運動的？

中國散裂中子源工程總指揮、工程經理、中科院院士陳和生介紹：“當一束中子入射到研究樣品上時，與它的原子核或磁矩發生相互作用，產生散射。透過測量散射的中子能量和動量的變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質的微觀結構和運動規律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態。”

陳和生進一步解釋說：“打個比方，假設面前有一張看不見的網，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網而過，有的則打在網上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運動軌跡記錄下來，就能大致推測出網的形狀；如果彈珠發得夠多、夠密、夠強，就能把這張網精確地描繪出來，甚至推斷其材質。”

然而，進行中子散射的研究，需要用中子做探針，就必須有一個適當的中子源，先進的中子源是中子科學研究的基礎。散裂中子源正好符合需求。

“散裂中子源是用來自大型加速器的高能質子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強的中子束流，中子慢化（中子與介質原子核碰撞，引起中子能量減少而減速的現象）後與樣品發生散射，最後由中子散射譜儀接收，我們科研人員就根據這些中子散射的資料分析出被觀測物體的微觀特徵。”陳和生說，“通俗點說，散裂中子源就像一臺‘超級顯微鏡’，可以研究DNA、結晶材料、聚合物等物質的微觀結構。”

在材料科學技術、生命科學、新能源等領域有廣泛應用前景

散裂中子源可以產生強脈衝中子，並透過測量中子束流在樣品的散射反應過程，探測樣品原子核的位置和運動狀況，因此，在材料科學技術、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域都具有廣泛應用前景。例如，1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，最後查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國散裂中子源上檢測的，發現其中有內部裂痕。事實上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼，裡面都有應力，它決定了高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應力看不到、摸不著，對它的研究成了避免災難發生的關鍵。“現在科學家已經可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩餘應力，最佳化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。”陳和生說。

散裂中子源技術的應用非常廣泛。

例如，在新型清潔能源可燃冰的開發利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其研究成果將為安全、高效地開採和利用可燃冰提供科學依據。

中子散射是研究鋰電池的利器。大幅度地提高鋰電池的效能是電動汽車推廣的關鍵，可以將汽車鋰電池連同模擬充放電過程的裝置放入中子散射譜儀，實時原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分效能的變化，為改進和最佳化鋰電池的設計提供關鍵資料。國外的散裂中子源都建設了這樣專門研究鋰電池的譜儀，且嚴加保密。

中子散射還可以對文物進行無損研究。比如想知道我國南北朝時期的一尊佛像的製造工藝，卻無法把文物大卸八塊進行分析。利用中子成像技術，可以看到佛像的中間有一根木製“主樑”。這是因為中子散射對輕的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳氫化合物，中子可以輕易地“看到”它。由此，科學家能清晰地瞭解這尊佛像的製造工藝：先在中間立一根木樑，在木樑周圍纏上“支撐架”，最終用黏土製成。

裝置國產化率超九成，靶站最高中子效率達到國際先進水平

2017年8月，中國散裂中子源首次打靶成功並獲得中子束流；2017年11月達到打靶束流功率的驗收指標；2018年春節期間，科研人員繼續進行緊張的除錯執行。期間加速器執行穩定，束流功率和連續執行時間均創調束以來的新高，首期三臺中子譜儀，即通用粉末衍射儀、小角散射儀和多功能反射儀，都順利完成樣品實驗。通用粉末衍射儀已經完成了兩個高水平的使用者實驗。

此次驗收中，工藝鑑定驗收專家委員會評價：中國散裂中子源效能全部達到或優於國家發改委批覆的驗收指標。裝置整體設計科學合理，研製裝置質量精良，除錯速度快於國外的散裂中子源。靶站最高中子效率達到國際先進水平。

中國散裂中子源透過自主創新和整合創新，在加速器、靶站、譜儀方面取得了一系列重大技術成果。裝置國產化率超過90%，顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測器及電子學等領域相關產業技術水平和自主創新能力，使我國在強流質子加速器和中子散射領域實現了重大跨越，技術和綜合性能進入國際同類裝置先進行列。

陳和生說：“例如國內首次研製成功25Hz交流諧振勵磁的大型二極和四極磁鐵及電源，交流磁場精度達到同類裝置國際領先水平；自主研製成功液氫慢化器，透過靶—慢化器—反射體緊湊耦合的物理和工程設計，保證靶站高中子效率，等等。”

中國散裂中子源建成後，將充分發揮一期三臺譜儀在材料科學、生命科學、凝聚態物理和化學等領域的作用，為廣大使用者提供國際先進的研究平臺，為我國的中子散射技術和應用在國際前沿領域佔據一席之地提供良好的機遇。

同時，為了充分發揮裝置作用，滿足中子散射研究和應用使用者迫切需求，專家委員會建議：中國散裂中子源應儘快達到設計指標，實現穩定執行。在裝置透過驗收後儘快啟動二期工程立項，開始後續譜儀建設，進一步提升束流功率。本報記者吳月輝