散裂中子源出束記：小中子有大能量

　　 8月底的一個上午，在廣東東莞國家大科學工程——中國散裂中子源靶站譜儀控制室中，工程總指揮兼工程經理陳和生發出指令，從加速器引出的質子束流首次打向金屬鎢靶。

　　一眨眼的功夫不到，科研人員便從6號和20號中子束線測量到兩個慢化器輸出的中子能譜，散裂中子源順利獲得中子束流。至此，中國首個散裂中子源主體工程宣告完工。

　　給微觀結構“拍個片”

　　X射線能“拍攝”人體的醫學影像，而在材料學、化學、生命科學等領域，科學家也希望尋找到一種高通量的“中子源”，能夠如給人體拍片的X射線一般“拍攝”到材料的微觀結構。科學家尋找到了散裂中子源。

　　當中子入射到樣品上時，與它的原子核或磁矩發生相互作用，產生散射反應。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。這就是中子散射技術的基本原理。

　　“散裂中子源是通過非常強、非常短的脈沖去打水冷的鎢靶，進而產生散裂過程。”陳和生介紹稱，質子打靶后，每個質子都會產生多個散裂的中子，這是得到強而短的中子脈沖的最佳辦法。

　　得到中子脈沖后，科研人員可以通過在靶站周圍建造的譜儀，測量中子脈沖打在樣品上產生的訊號，從而獲得樣品物質結構的信息。

　　科研人員對散裂中子源作用原理做了一個形象的比喻。假設面前有一張看不見的網，科研人員不斷扔出玻璃彈珠，彈珠或穿網而過，或打在網上彈向不同角度。通過記錄彈珠的運動軌跡，科研人員便能大致推測網的形狀。而如果彈珠發得夠多、夠密、夠強，這張網就可以被精確描繪，甚至材質也能清晰判斷。

　　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結構和動力學性質的重要探針，也為中子散射獲得了 “超級顯微鏡”的美譽。

　　應“需”而生

　　陳和生介紹稱，英國散裂中子源曾對A380飛機機翼進行原位測量優化焊接和鉚接工藝、美國汽車尾氣的有效催化排放研究、法國地下水腐蝕核廢料存儲影響，都利用到了散裂中子源這種大科學裝置。

　　散裂中子源的應用價值不容小覷，然而在探究物質結構的研究中，合肥國家同步光源、上海光源等大科學裝置均已落地。那么，散裂中子源與同步輻射光源的差別又在哪？

　　在科學家看來，這兩種科學裝置在物質結構研究中可謂科研人員的“左膀”與“右臂”。

　　“同步輻射X光作用的強度會隨著原子序數的增加而增加，對于碳氫氧氮等輕元素的探測效果沒那么好，而中子作用強度不會隨原子序數增加而增加，比較適合做輕元素的研究。”中國散裂中子源工程實驗分總體副主任梁天驕介紹說。

　　許多物質結構中輕元素與重元素同時存在，科研人員會選擇用同步輻射確定重元素位置，而用散裂中子源確定輕元素位置。

　　不過，隨著科技進步，如薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質等研究體系尺度分布越來越大，獲得數量在克量級的樣品量也更加困難，需要通量更高、波段更寬的進行小樣品的快速、高分辨中子散射測量。可以說，是科研需求催生了我國散裂中子源大科學裝置的出現。

　　開枝散葉的大科學裝置

　　“一般的調試都要半年，我們用了兩周的時間就出束成功。”高能物理所東莞分部副主任王生告訴《中國科學報》。對于中國散裂中子源的科研人員而言，此次獲得中子束的調試可謂相當順利。更令科研人員感到自豪的是，散裂中子源設備的國產化率達到96%以上，是一個地道國產化的大科學裝置。

　　“我們希望利用大科學裝置，引領科研人員和企業推動相關高技術領域的發展。”中國散裂中子源工程副經理陳元柏說。

　　例如，散裂中子源中快循環同步加速器中的25赫茲交流磁鐵，在我國屬首次研制，鐵芯和線圈的振動開裂、渦流發熱等新問題一度令科研人員一籌莫展。經過科技人員與工廠技師6年的聯合攻關，研制出了合格的磁鐵，還創新性地給出了諧振電源的諧波補償方法，解決了多臺磁鐵之間的磁場同步問題。

　　散裂中子源建設借助技術突破既推動了相關高技術領域的發展，也對珠三角地區形成了強大的科技輻射。

　　陳和生告訴記者，下一步用戶譜儀的建設，已有東莞理工學院牽頭擬建的多物理譜儀、東莞材料基因高等研究院擬建的材料譜儀、南方科技大學準備籌建的高壓譜儀、工信部五所擬建的大氣中子譜儀正在規劃，此外，香港城市大學、香港科技大學與澳門科技大學等也都對散裂中子源表示了濃厚的興趣。

　　未來，二期工程當散裂中子源的20臺譜儀全部建成，束流功率從100千瓦升級到500千瓦時，散裂中子源將在中國乃至世界的相關研究中釋放更大能量。