中国散裂中子源是如何工作的？有哪些应用场景？

中国散裂中子源位于广东东莞，是我国一项标志性的大科学装置，它就像一台 “超级显微镜” ，能够以极高的精度探测物质的微观内部结构。

散裂中子源，这个名字听起来可能会有点既熟悉又陌生的感觉。中学物理就讲过什么是中子，它是原子核的组成部分，然而加上”散裂”这个定语，很多人就搞不懂了。散裂反应是产生中子的重要手段，通过高能质子轰击钨靶经过散裂反应产生中子，并探测所产生的中子与物质相互作用后的行为，能够揭示出物质内部的微观结构和动力学特性，其独特优势使其在多个领域发挥着不可替代的作用。

喜欢打台球的小伙伴都知道，开局的时候，要用最大的力气炸开球堆，这个过程和我们散裂中子源的工作原理有点类似。我们首先利用加速器将质子加速到0.9倍光速，形成高能质子束，如同出膛的子弹。这些高能质子束会去轰击一个由重金属（如钨）制成的靶体。质子与靶体原子核发生剧烈碰撞时会击碎原子核，专业的说法是发生了“散裂反应”，从而炸出大量的中子。这些炸出的中子经过“慢化”处理后，会形成适合科学研究的中子束流，并通过导管引向不同的中子谱仪。

在谱仪位置，中子束被引导到待测的实验样品上。中子与样品中的原子核发生相互作用后，其飞行方向、速度等特性会发生改变，即发生“中子散射”。

科学家们通过精密探测器捕捉这些散射中子的信息，进而反推出被测物质的微观结构及其运动规律。由于中子不带电、穿透力强，不会对样品造成显著的损害，且对轻元素灵敏，使得散裂中子源在探测复杂物质体系的微观结构方面具有独特优势。

图：2019年2月，杨振宁曾参观中国散裂中子源的直线隧道。他身后就是直线加速器。

散裂中子源的重要用途

散裂中子源的应用范围非常广泛，其在若干重要领域发挥着其他手段难以替代的关键作用。

1、材料研发与高端制造

在航空航天、高铁等领域，关键部件（如发动机叶片、高铁车轮）的内部残余应力是影响其寿命和安全性的关键因素。散裂中子源产生的中子能穿透金属部件内部，非破坏性地精确测量其内部应力分布，为优化加工生产工艺、提高可靠性提供直接依据。例如，在新型锂离子电池的研发中，散裂中子源是少数能够精准追踪充放电过程中锂离子运动轨迹的技术之一。这为开发容量更大、充电更快、安全性更高的电池提供了关键指导。

2、生命科学与医疗健康

散裂中子源在生命科学领域同样大有可为。例如，基于散裂中子源技术发展的加速器硼中子俘获治疗（BNCT） 是一种前沿的癌症治疗技术。其原理是给患者注射含硼药物，该药物会特异性地聚集在癌细胞中。

随后利用散裂中子源产生的热中子束照射肿瘤部位，中子与硼-10发生核反应产生高杀伤力的粒子，从而精准摧毁癌细胞，因为产生的粒子射程较短，对周围健康组织损伤很小。目前，基于散裂中子源技术的BNCT项目正在东莞市人民医院推进，目前已完成首例病人的临床治疗，为癌症治疗提供了新的路径。

3、基础科学研究前沿

例如高温超导机理研究、新型磁性材料开发等领域，散裂中子源凭借其对物质磁矩的敏感性，能够帮助科学家获取材料磁性特征的详细信息，这对于开发高性能记录介质、理解超导机制等至关重要。

中国散裂中子源自2018年通过国家验收并正式运行以来，装置性能稳定可靠，已完成了大量国内外科研用户的实验课题。为了满足日益增长的用户需求和更前沿的科学研究， 中国散裂中子源二期工程已于2024年1月启动 。二期工程计划将装置的束流功率从100千瓦提升到500千瓦，并建设更多的中子谱仪和实验终端。这意味着这座“超级显微镜”的“亮度”将大幅提升，能够更快、更清晰地洞察更微小的样品和更快的动态过程，届时将有更多的样品可以同时在不同的中子谱仪进行实验，其研究能力将实现跨越式增长。

中国散裂中子源作为探索物质微观结构的强大平台，其价值不仅在于推动基础科学的进步，更在于切实解决国家重大需求和产业发展中的关键问题，是名副其实的“国之重器”。

21世纪以来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科研重器蓬勃涌现：“中国天眼”聆听深空电磁波，“阿里计划”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙线观测站”探测超高能粒子，“人造太阳”攻关聚变能源，“高能同步辐射光源”解析微观结构等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。

原标题：科学重器 | 以0.9倍光速轰击钨靶，中国散裂中子源是如何工作的？有哪些应用场景？

来源：腾讯太空

编辑：子木

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