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观测微观世界的眼睛——散裂中子源

发布时间：2015-3-25 14:13 来自: 环球物理

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，去探索人类用肉眼所难见的奇妙复杂的物质微观世界。X射线能“拍摄”人体的医学影像，而在材料学、化学、生命科学、医药等领域，科学家们更希望有一种高亮度的“中子源”，能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。散裂中子源应运而生，它就像一台超级显微镜，研究诸如DNA、结晶材料、聚合物等等的结构，揭开这大千世界的神秘面纱。

目前世界上只有英国、美国和日本三个国家拥有脉冲散裂中子源，中国散裂中子源建成后，将成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源，成为我国最大的科学装置。中国散裂中子源的建设，将促进我国在重要前沿研究领域实现新突破，它承载着华夏民族的自尊、自信与自强，将在中国跻身世界科技强国之林的道路上，迈出坚定的步伐！

中子及其特性

X射线和中子都是探索物质微观结构的探针，那它们的不同之处在哪里？

我们都知道，原子是由原子核和带负电的电子构成，而原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成。

中子不带电、具有磁矩、穿透性强，且对样品具有非破坏性，这些性质使得中子成为研究物质结构的理想探针。

高亮度X射线，主要与原子外围的电子云发生相互作用，从而探知物质的微观信息；而中子是电中性的，它与电子云基本不发生相互作用，主要与物质中的原子核相互作用。X射线和中子散射看到的正好是物质两个不同的方面，这种优势互补，已经被许多学科用来准确地研究物质中原子的位置、排列、运动和相互作用等。

如何得到和控制中子

既然中子有这么好的特性，适合当人类观察微观世界的“眼睛”，那我们如何去得到和控制中子？也就是说，要用中子做探针，必须有一个适当的中子源。

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。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。

中国迄今最大的科学装置——中国散裂中子源（CSNS）

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，建成后将成为中国最大的科学装置。

　　项目由中国科学院和广东省共同建设，选址于广东省东莞市，规划用地1000亩，将于2017年前后建成，项目预计总投资约为十七亿元人民币。中科院高能物理研究所是该工程建设的法人单位，共建单位为中科院物理研究所。项目建设周期为开工之日起的6.5年。

　　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。

　　探秘中国散裂中子源原理和结构

　　虽然中子是如此微小，但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置，它不是一台放在实验桌上的仪器，而是数量庞大的各种各类高、精、尖设备和仪器所组成的一个有机的整体。这类装置占地动辄数百亩，耗资以数十亿计。

　　中国散裂中子源项目建设内容包括：一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器（RCS）、一个靶站、3台中子谱仪，以及与其配套的辅助设施和土建工程。其原理是：离子源产生的负氢离子束流，通过射频四极加速器聚束和加速后，由漂移管直线加速器把束流能量进一步提高，负氢离子经剥离注入到一台快循环同步加速器中，把束流加速到最后能量1.6GeV。从环形加速器引出的功率为100kW质子束流经传输线打向钨靶，在靶上产生的散裂快中子经慢化，再通过中子束道和中子导管引向中子谱仪，供用户开展实验研究。

　　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。散裂中子源与核武器、中子弹更是毫无关系，完全是风马牛不相及的事情。散裂中子源产生的中子是在设计的真空通道内运行的，到达指定的位置，对样品进行照射，分析样品的微观结构，这就像人们利用X射线检查身体一样。加速器是通过电子器件自动控制起停的，一旦出现故障，可以在几毫秒内自动关闭加速器。

散裂中子源的应用