持续上新的中国散裂中子源

作者：罗会仟 中国科学院物理研究所

近年来，位于广东东莞大朗镇的中国散裂中子源，频频传来好消息。自2018年8月中国散裂中子源（CSNS）正式投入运行以来，其谱仪终端由最早的3台，扩充到了一期工程的共11台谱仪。其中8台用户谱仪在近几年陆续出中子束流，例如：2021年1月的多物理谱仪，2022年4月的大气中子辐照谱仪，2023年1月的高能直接几何非弹性中子散射飞行时间谱仪，2024年7月高分辨中子衍射仪和高压中子衍射仪。2024年3月30日，中国散裂中子源二期工程正式启动，计划再建设9台谱仪和2个实验终端。预计未来的5年里，中国散裂中子源的谱仪还会持续“上新”，谱仪总数将增加到20台，是名副其实的大国重器。

那么，什么是散裂中子源？它有什么科学用途？中国散裂中子源的这些谱仪各有什么特色之处？未来我们期待在散裂中子源上有什么科学发现？今天我们一起走进中国散裂中子源，认识中子散射技术、中子谱仪及其重要的科学应用。

我们如何探测物质的微观世界？一般来说，需要借助探测媒介作为我们的“微观透视眼”，比如打入一束光或一束粒子，然后分析出射的光或粒子，并与入射前对比，研究其能量、动量和成分的变化，就可以推断出物质中的元素组成、材料结构和内部各种相互作用等。中子就是一种非常强大的探测媒介，因为中子不带电，所以它不会与其他粒子发生库仑相互作用，这使得它的穿透能力极强。一束高能量的中子甚至可以穿透几米厚的普通水泥墙。对于非磁性材料，中子可以无视原子中的电子，而直达原子核发生相互作用。对于磁性材料，中子除了与原子核相互作用之外，还有另一种磁性相互作用。这是因为中子具有磁矩，就像一个小磁针一样，还会与原子的磁矩或电子的自旋发生相互作用。因为中子质量与质子非常接近，所以往往原子核越小，它们之间的核散射作用反而越强。具体看同位素的原子核组成，它对中子的散射效应千差万别，意味着中子可以作为具有同位素选择特性的探测手段。

利用中子散射研究材料结构

简单来说，中子散射就是将一束中子入射到物体内部，分析出射中子的能量和动量变化，进而获取物体内部各种微观信息。如果前后中子束的能量没有变化，我们称之为 “弹性中子散射”或“中子衍射”，就像中子打到了微观原子组成的各种复杂的“镜面”一样，通过测量中子反射的角度就能获取镜面的具体结构，也就是材料内部原子的排布方式。如果前后中子束的能量发生了变化，我们称之为“非弹性中子散射”，这意味着中子与物质内部粒子发生了能量交换，这个前后能量差基本上等于物质内部相互作用的能量。所以说，中子散射是获取材料内部信息的一种非常直接的手段，特别是在确定材料内部磁结构和磁激发谱定量研究方面，中子散射技术是目前唯一的手段！

利用中子照相研究植物根系水分输运

中子除了用于散射技术，还可以借助其强大的“透视”能力来给复杂结构的物体拍照，这要比普通伽马射线或X光强大许多，而且是非破坏性的。例如研究复杂机械的内部构造、电池中电解液的变化、植物中水分的输运、文物中隐藏的机关和化石中各种孔隙等。还有结合中子照相和弹性散射技术，可以分析高铁车轮中的残余应力，为其安全服役提供保障。此外，中子可以用于辐照活化，让物质中部分元素“激活”成为放射性核素，从而具有特定的标记功能。例如利用硼元素等对中子强烈吸收的特点，可以把硼植入到癌症病灶，通过俘获中子后产生局域的放射性来杀死癌细胞，并保留病灶外的正常细胞，这是一种非常有效的癌症治疗方案。

中子作为探针虽然强大，但要利用它首先需要产生中子的装置，那就是中子源。常见的中子源包括放射性核素、核反应堆和散裂中子源。目前国际上的发展趋势是以散裂中子源为主，其基本原理是将一束质子加速到GeV的高能量，然后去轰击重金属靶，这样原子核就会因此发生“爆裂”并释放出“散乱”的中子，这就是“散裂”一词的由来。打靶产生的中子能量依旧很高，需要借助液氢慢化器等方案让其进一步慢下来，即调整其能量到合适窗口，既可以轻松穿透样品，又能与样品内部粒子发生相互作用。所以，散裂中子源的通常特点就是围绕靶站一圈会有不同的中子导管将其引出来，再到不同的谱仪实验站。由于谱仪功能各异，每个谱仪的外形构造也不一样，在散裂中子源你能看到形形色色的“大家伙”。

散列中子源示意图

目前世界上正在运行的散裂中子源一共有5个：英国散裂中子源ISIS、瑞士散裂中子源SINQ、美国散裂中子源SNS、日本散裂中子源J-PARC、中国散裂中子源CSNS，另外还有即将建设完成的欧洲散裂中子源ESS。中国散裂中子源一期建设的功率指标尽管只有100 kW，二期工程将逐步升级到500 kW，在考虑其脉冲时间的情况下，束流强度将于日本散裂中子源相当，处于国际领先水平。

中国散裂中子源靶站

中国散裂中子源最早建设的三台谱仪是：用于分析材料晶体结构和磁结构的通用粉末衍射谱仪，用于研究薄膜物性的反射谱仪，用于研究大分子和介观结构的小角散射谱仪。近些年启用的用户谱仪典型代表有：用于研究不同有序度材料的多物理谱仪，用于多种材料的中子辐照试验的大气中子辐照谱仪，用于研究材料内部原子振动和磁激发的高能非弹散射谱仪，用于在高压环境下研究物质结构的高压中子衍射仪，以及高分辨中子衍射仪、工程材料谱仪、微小角谱仪、能量分辨中子成像仪等等。2024年之后进入二期建设阶段，中国散裂中子源将进一步建设液体中子反射仪、逆几何化学振动谱仪、背散射谱仪、漫散射谱仪，以及多台非弹散射谱仪等9台新的谱仪实验站，以及建设高能质子束实验终端以及实验缪子源终端。这些谱仪覆盖的能量和动量范围各不相同，所以功能也千差万别。开展中子散射实验最重要的第一步，就是要根据测量对象选择合适的谱仪。

未来，我们期待在中国散裂中子源可以发现新型的量子材料或量子现象，实现更精细的材料或磁性结构分析，为大国重器提供更强有力的科学保障，在中子技术方面有更多的新突破！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：罗会仟

审核：姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司