攻克中国大量难题的“超级显微镜”究竟有多厉害

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导语：不久前，中子衍射谱仪成功出束，标志着我国已经建成了世界一流的大型中子散射多学科研究平台。这台“超级显微镜”作为国家大科学装置，被用于研究物质的微观结构，为我国多学科在国际上取得一流成果提供重要的技术条件。

一、新“探针”：探索物质微观结构

X射线主要与原子外围的电子发生相互作用，但有可能导致电子的电离，破坏物质本身；而中子不带电、穿透性强，且不会破坏物质，它直接与物质的原子核相互作用，这使得中子成为了研究微观结构的理想媒介。与X射线不同，中子在探索物质微观结构上有着一定的优势。

通过轰击重原子产生中子

中子的来源主要依靠散裂反应，主动制造和控制中子。离子源中产生的离子利用质子加速器产生高能质子束，轰击重原子（例如铀或钨）的原子核，通常每个重原子核能轰击出20-30个快中子，这样的反应能够形成可用于探测规模的中子束。

基于上述的理论框架，我国的散裂中子源项目主要包括一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站和若干台中子谱仪设备。

离子源中产生的离子束经过初步的聚束和加速后，将剥离后的离子注入环形的快循环同步加速器中，使用环形加速器既可以一圈圈加速大大减小加速器的体积，又可以通过圈数逐级地控制质子束能量。在经过充分的谐振加速后，最终将功率为100kW的质子束流打向钨靶，从而形成散裂后的大量快中子，经过慢化后被引向不同的中子谱仪进行研究。

散裂中子源结构图

利用这样的设备和思路，散裂中子源形成的中子通量（单位时间内的中子量）已经超出了传统反应堆中子源（依靠核反应堆提供中子）一个量级，并具备相当程度的可调性，这对微观结构的成像效果有着很大意义。

二、系统集成：水平世界领先

“超级显微镜”总共占地约7万平方米，目前的束流功率为100kW，并将在第二期提升至500kW，束流功率超越了世界上其他的散裂中子源。打靶质子束能量最高增加至1.6GeV，重复频率25Hz。整套系统总共预留了二十个孔道用于试验。

散裂中子源主体结构

相比反应堆中子源，散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广。10^0-10^7eV宽广能区的中子（指标与美、日、英的散裂中子源类似）大大地扩展了中子科学研究的范围。

内部的加速器装置

散裂中子源同时具备很强的可拓展性，它的能力随着不断集成不同的科学载荷慢慢提升，仍然具备极大的发展潜力。在最初数台谱仪的基础上，散裂中子源工程将在二期利用完所有的孔道，总共配备二十台谱仪，针对不同任务进一步提供多空间尺度、多能量范围、多学科研究的表征手段。

此次测试的能量分辨中子成像谱仪（ERNI）超越了常规的中子照相，更精细地探测和成像晶体内部的三维结构，尤其是对物质深层做探测，适用于复杂结构件的应力测量分析做无损检测和使用寿命估计。在未来，随着孔道逐渐饱和，散裂中子源将在原本结构的基础上，添加第二靶站及其相应的孔道，继续提升探测能力。

中子谱仪用于探测物质微观结构

散裂中子源产生的放射性物质总量约为反应堆中子源的十万分之一，几乎不产生辐射。实验室核心结构由超高密度混凝土覆盖，密度高达3600千克/立方米，这种材料主要由重晶骨料、硼玻璃粉等材料构成，用于防止中子的逸散，这种特殊材料的使用能够彻底消除中子辐射对大自然的影响。

三、科技创新：为多领域发展插上翅膀

作为科研的“基础设施”，世界各国都正将建设高性能散裂中子源作为提升科研能力的重要举措，纷纷提出了相关的建设计划，目前只有英、美、日和中国拥有散裂中子源。

散裂中子源外景

科学家利用中子源探测物质结构，记录下中子的轨迹和相应的磁矩变化后，可以通过计算推测出物质的结构以及结合点的张力等参数。因此散裂中子源对于每个国家的材料科学、药学、核科学等领域有着很强的指导意义。

在材料科学领域，先进军用发动机的核心涡轮通常使用单晶叶片（在高温状态下承受极大应力），而单晶叶片的生长方法需要通过不断地试错来获得，散裂中子源的介入能够大大加速单晶叶片的研发过程；高铁车轮亦是对力学性能有很高要求的领域，使用散裂中子源进行成像能够探知金属疲劳，有助于预防重大事故。

在医疗领域，基于散裂中子源研发的新型放疗手段“硼中子俘获治疗”也已经进入了产业化阶段，能够实现细胞尺度的精准治疗。未来，散裂中子源有潜力替代目前的大型核反应堆来提供中子，对医疗的便利性和安全性有所提升。

在新能源领域，它是新能源电池的研发利器。新能源电池的性能本质上依赖于充放电产生的内部离子反应，解析这个过程能够极大加速研发，而散裂中子源有力地支持了我国相关产业的发展。未来加工精度和性能更高的固态电池研发更是与该设备息息相关。

环形快循环同步加速器

在核科学领域，散裂中子源对核能开发也有很大的意义。它能够产生核聚变反应的原料——氚，根据估算，全球氚储量仅为3.5千克且实际上无法收集，而一个散裂中子源每年能产生60克氚。核裂变能源的清洁化也是一种发展方向，高能的中子束有可能将核反应堆产生的长寿命放射性同位素转变为稳定同位素，减少核废料带来的危害。

结语：

作为世界上第四个投入使用的散裂中子源，其主要参数、中子束利用率和可拓展性上达到了国际领先水平。它将助力解决科学瓶颈问题，攻克产业核心技术，成为国家创新发展的“发动机”。