[科普中国]-散裂中子源如何探索微观世界？

日前，位于广东东莞的国家大科学工程——中国散裂中子源（CSNS）首次打靶成功，获得中子束流，这标志着CSNS主体工程顺利完工，进入试运行阶段。

中国散裂中子源（图片来自网络）

散裂中子源，其作用和显微镜、X射线有着异曲同工之妙，它们就像眼睛的延伸，去探索人类用肉眼难见的奇妙复杂的物质微观世界。

那么散裂中子源是如何发挥作用呢？

散裂中子源的基本原理

散裂中子源的基本原理，是用高能强流质子加速器产生能量1GeV以上的质子束，轰击重元素靶（如钨或铀），在靶中发生散裂反应，产生大量的中子。当一个高能质子，打到重原子核上时，一些中子被轰击出来，这个过程被称为散裂反应。

散裂反应

被轰击的原子核温度升高，更多的中子就会"沸腾"起来并脱离原子核的束缚。如果将一个垒球用力投到装满球的筐中，有一些球会立刻蹦出来，而更多的球则会弹跳并翻出筐外，散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。

与散裂反应过程相似的投球入筐过程

散裂中子源的特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广，大大扩展了中子科学研究的范围；它具有高脉冲通量和优越的脉冲时间结构，且不使用核燃料，只产生极少量活化产物等独特优点。

散裂中子源是安全的科学装置

散裂中子源的加速器运行时会有少量的粒子丢失而产生次级粒子，如：γ射线和中子等，这些次级粒子都具有放射性，通称为瞬发辐射。但只要加速器一停机，瞬发辐射即消失，同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。

此外，加速器运行时因活化还会产生一定量的放射性物质，如固体、液体和气体等。散裂中子源因活化产生的放射性物质总量，一般比反应堆中子源低5～6个量级，对环境的影响要小得多。

散裂中子源是安全的科学装置

散裂中子源可能发生的严重事故是操作人员误入辐射区而造成的人身伤害事故。为避免此类事故发生，散裂中子源设计了严格的人身安全连锁系统。而且，这类事故本身不会对环境造成任何影响。

中国散裂中子源建在地下5米的隧道内，隧道的屏蔽设计为厚度0.5－1.5米混凝土，隧道入口采用迷宫结构或钢与混凝土混合结构门。这些良好的屏蔽措施，能将散裂中子源产生的次级粒子、以及因活化产生的感生放射性屏蔽，可以使环境剂量控制在0.1mSv/年以下，是国家标准的十分之一。

常年在园区地面上的工作人员，接受来自于装置的辐射，相当于人们在日常生活中接受来自于大自然的天然本底辐射水平；周边居民所接受的辐射，相当于人们在日常生活中接受来自于大自然的天然本底辐射水平的百分之一。

散裂中子源的应用

散裂中子源在日常生活中的应用非常广泛，包括化学、磁学、超导、结晶材料、医学、结构生物学等多个领域都有散裂中子源的应用。

例如在化学方面，中子散射是了解油脂和乳剂（如冰激凌）之类油水化合物基本化学结构的关键；科学家们试图利用中子来研究骨骼在发育过程中是怎样钙化的，骨质疏松时骨骼又发生了怎样的变化，以及医生建议的治疗计划是否可行；中子散射技术还可以帮助人们了解牙膏中的化学添加剂是否真的有助于洁齿。

骨骼在发育过程中钙化

而在磁学和超导方面，由于中子具有磁矩，可以揭示其他任何方法所无法获取的材料磁性特征的详细情况。这些信息对于开发高密度记录介质，如录音带、录像带、CD和计算机盘至关重要；

先进的散裂中子源能提供足够多的中子，在材料向超导状态过渡时，帮助科学家们控制磁性所起的作用，从而有助于了解高温超导体如何工作，如何能在相对高温时保持其超导性。懂得了这一点，就能生产出导电性更好的超导材料，并有可能改善高功率传输线和高磁场磁铁的性能。这些基本信息可应用于设计高速的电子学设备。

高磁场磁铁

在医药/结构生物学方面，DNA分子决定了蛋白质的合成，中子散射可获得DNA的形状和结构，广泛用于医疗方面，如医治癌症或艾滋病之类的重症；

中子散射技术可研究药物的结构及与标靶结合的特征，为药物遴选、改性等提供依据，加快新药研制进程。

散裂中子源可用于治疗癌症等重症（图片来自网络）