散裂中子源有何作用？

　　8月11日，作为世界四大散裂中子源之一，中国散裂中子源迈出了产业应用第一步。这一天，中科院高能物理所与东阳光集团联手，正式开展“硼中子俘获治疗项目”的攻关。

　　“这是中国散裂中子源成果转化的开端。”中科院高能物理所所长、中科院院士王贻芳说，按计划，今年9月，散裂中子源将会打出第一束中子，明年，整个工程建设和项目验收工作将全部完成。

　　“硼中子俘获治疗项目”签订（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。

　　那么散裂中子源师如何发挥作用呢？

　　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，低本底，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）

　　世界上的脉冲式散裂中子源

　　英国卢瑟福实验室的ISIS，从上世纪八十年代建成一直到2007年，一直是世界上亮度最高的散裂中子源。它利用直线加速器将负氢离子加速到70MeV，通过剥离注入到快循环同步加速器，把质子进一步加速到800MeV后轰击钨靶，其脉冲中子通量已高出通量最高的反应堆近一个量级。

　　英国散裂中子源的快循环同步加速器

　　美国橡树岭国家实验室为主的六大核科学国家实验室携手合作建造了一台第一期设计束流功率为1.4MW的散裂中子源SNS。其总投资也高达14亿美元。通过七年多的紧张建设，于2006年4月28日，产生出第一束中子。至2007年8月，束流功率达到160kW，超过英国的ISIS。

　　美国散裂中子源鸟瞰图

　　日本原子能研究所与高能加速器研究机构合建的工程总投资约18亿美元的强流质子加速器研究联合装置J-PARC已于2009年上半年建成并投入运行。2009年11月，束流功率达到120kW，12月进一步达到300kW（持续1小时）。

　　日本散裂中子源鸟瞰图

　　中国散裂中子源是国家“十一五”期间立项、“十二五”重点建设的大科学装置，是国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台，建成后，CSNS将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源，和世界上正在运行的美国散裂中子源、日本散裂中子源与英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲散裂中子源。

　　中国散裂中子源园区效果图

　　出品：科普中国

　　制作：山夕团队 唐媛

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心