中國散裂中子源投入試運(yùn)行,，我國成為世界上第四個擁有“超級顯微鏡”的國家

“超級顯微鏡”能“看”清什么(關(guān)注)

日前,，位于廣東東莞的國家大科學(xué)工程——中國散裂中子源(CSNS)首次打靶成功,，獲得中子束流,，這標(biāo)志著CSNS主體工程順利完工，進(jìn)入試運(yùn)行階段,。中國散裂中子源是什么,？它長啥樣,？有什么用,？安不安全？本報記者奔赴現(xiàn)場，為您一一揭曉,。

中國散裂中子源園區(qū)鳥瞰圖,。中國散裂中子源供圖

一問：是什么？

就像一臺“超級顯微鏡”,，可以研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)

“當(dāng)一束中子入射到研究樣品上時,，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射,。通過測量散射的中子能量和動量的變化,，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律,，告訴人們原子和分子的位置及其運(yùn)動狀態(tài),。這種研究手段就叫中子散射技術(shù)?！敝袊⒘阎凶釉垂こ炭傊笓],、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生說,。

1932年,，英國物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們開始認(rèn)識到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的,。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一,。由于中子不帶電，具有磁矩,，且穿透性強(qiáng),，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素,，具有非破壞性,，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一，和X射線一樣,，是多學(xué)科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動的強(qiáng)有力手段,。

陳和生進(jìn)一步解釋說：“打個比方，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng),，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠,，彈珠有的穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上,，彈向不同的角度,。如果把這些彈珠的運(yùn)動軌跡記錄下來，就能大致推測出網(wǎng)的形狀,；如果彈珠發(fā)得夠多,、夠密,、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來,，甚至推斷其材質(zhì),。”

然而,，進(jìn)行中子散射的研究,，需要用中子做探針，就必須有一個適當(dāng)?shù)闹凶釉?，先進(jìn)的中子源是中子科學(xué)研究的基礎(chǔ),。如何能獲得產(chǎn)生高通量中子的中子源，一直是科學(xué)家不斷努力追求的目標(biāo),。

高通量的中子源包括反應(yīng)堆中子源和散裂中子源,。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大的作用,。但由于反應(yīng)堆散熱技術(shù)的限制,，反應(yīng)堆中子通量在上世紀(jì)六七十年代就達(dá)到了飽和。隨著科技的進(jìn)步,，相應(yīng)的研究體系如薄膜,、納米團(tuán)簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等,，尺度分布更大,，獲得數(shù)量在克量級的樣品更為困難。因此,，小樣品的快速,、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源,，散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生,。

“它是用來自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應(yīng),，釋放出大量的中子,。這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流，中子慢化(中子與介質(zhì)原子核碰撞,，引起中子能量減少而減速的現(xiàn)象)后與樣品發(fā)生散射,，最后由中子散射譜儀接收，我們科研人員就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測物體的微觀特征,。通俗點說,，散裂中子源就像一臺‘超級顯微鏡’，可以研究DNA,、結(jié)晶材料,、聚合物等物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),。”陳和生說,。

二問：長啥樣,？

異常龐大，建在13米到18米深的地下

由于散裂中子源的這些獨特性能,，以及國際社會對安全評估要求越來越嚴(yán)，發(fā)達(dá)國家普遍利用散裂中子源進(jìn)行中子散射研究,。目前,，世界上正在運(yùn)行脈沖式散裂中子源的國家主要有英國、美國和日本,。中國散裂中子源建成后將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源,，躋身世界四大脈沖散裂中子源行列，從而大幅提升我國基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平,。

雖然中子如此微小,，但產(chǎn)生強(qiáng)中子束的散裂中子源卻是異常龐大的裝置，是各種高,、精,、尖設(shè)備組成的整體。

記者在現(xiàn)場看到,，CSNS隧道內(nèi)裝置建在13米到18米深的地下,。主要建設(shè)內(nèi)容包括1臺束流能量為80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、1臺束流能量為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器,、2條束流輸運(yùn)線,、1個靶站和3臺譜儀，以及相應(yīng)的配套設(shè)施和土建工程,。

陳和生說：“CSNS一期工程中子譜儀數(shù)量為3臺,，將來最多可建到20臺。目前束流功率為100千瓦,，我們還預(yù)留了進(jìn)一步提高束流功率到500千瓦和增修第二靶站的升級空間,。”

首批建設(shè)的3臺譜儀為通用粉末衍射儀,、多功能反射儀,、小角散射儀。

“通用粉末衍射儀主要用于研究物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu),；多功能反射儀通過分析來自樣品的反射中子,，研究物質(zhì)的表面和界面結(jié)構(gòu)；小角散射儀用于探測物質(zhì)體系在1—100納米尺度內(nèi)的微觀和介觀(介于宏觀與微觀之間的一種體系)結(jié)構(gòu),?！标惡蜕f,。

三問：有啥用？

可使高鐵和飛機(jī)更安全舒適,，能用于腫瘤的放射性治療研究

散裂中子源可以產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子,，并通過測量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程，探測樣品原子核的位置和運(yùn)動狀況,，因此,，在材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué),、物理,、化學(xué)化工、資源環(huán)境,、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景,。

陳和生舉了個例子?！?998年6月,，德國一輛城際快車意外出軌，最后查出事故元兇竟然是老化的車輪,。車輪是在英國散裂中子源上檢測的,，發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕?！?/p>

事實上,，無論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪,、機(jī)翼,，里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機(jī)使用壽命和安全性,。但是,，這個應(yīng)力看不到、摸不著,，對它的研究成了避免災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機(jī)翼的剩余應(yīng)力，優(yōu)化機(jī)械加工工藝,，使高鐵和飛機(jī)變得更安全舒適,。

陳和生說：“散裂中子源技術(shù)在生物、生命,、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域也發(fā)揮著X射線無法替代的作用,，并與同步輻射光源互為補(bǔ)充，成為基礎(chǔ)科學(xué)研究和新材料研發(fā)的最重要平臺之一,。例如,，散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究,，已在許多發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用。還有,，在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中,，散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件，其研究成果將為安全,、高效地開采和利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù),。”

CSNS裝置的建設(shè)也將大大加強(qiáng)國內(nèi)中子散射科學(xué)和應(yīng)用界的國際交流和合作,，為我國的中子散射技術(shù)和應(yīng)用在國際前沿領(lǐng)域占據(jù)一席之地提供良好的機(jī)遇,。

“CSNS建設(shè)過程中，質(zhì)子加速器,、靶站、中子譜儀的建設(shè),，都涉及大量具有戰(zhàn)略意義的高技術(shù),，這些技術(shù)難關(guān)需要中國最高水平的科研力量攜手攻克。所以,，該項目的建設(shè)將吸引大批世界級的科學(xué)家前來進(jìn)行科研活動,，建成后將吸引國內(nèi)外逾600名專家學(xué)者匯聚東莞搞研究?！敝袊茖W(xué)院物理研究所黨委書記孫牧說,。

四問：安全嗎？

在附近居住一年,，接受的輻射量僅相當(dāng)于乘一次長途飛機(jī)

如此龐大的科學(xué)裝置,，它的安全性如何呢？會不會對周圍的環(huán)境產(chǎn)生污染,？

陳和生說：“CSNS基于新一代加速器,，不需要核材料，其動力來自電能,，輻射嚴(yán)格控制在環(huán)保安全范圍,。我們做過測算，在散裂中子源附近居住1年,，居民受到的輻射量僅相當(dāng)于乘1次長途飛機(jī),。”

據(jù)介紹,，CSNS附近建有監(jiān)控站,，隨時監(jiān)控輻射情況?！渡⒘阎凶釉错椖凯h(huán)境影響報告書》也提出了事故應(yīng)急預(yù)案,。由于散裂中子源是射線裝置,，只要斷電停機(jī)，中子源產(chǎn)生的主要輻射立即消失,。

另外,，散裂中子源與反應(yīng)堆類的核裝置完全不同，不需要核原料,，沒有鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng),，加速器運(yùn)行時會有少量的粒子丟失而產(chǎn)生次級粒子，如：χ射線,、γ射線和中子等,，它們都具有放射性，通稱為瞬時輻射,。

“這些放射性物質(zhì),，比反應(yīng)堆中子源低5—6個量級，對環(huán)境的影響要小得多,，而且這些放射性物質(zhì)將存放在國家指定的廢物庫中,。”中國散裂中子源工程副經(jīng)理陳元柏說,。

“只要加速器一停機(jī),，造成環(huán)境影響的主要輻射源即消失，可以說像水龍頭一樣安全可靠,。加速器是通過電子器件自動控制起停的,，一旦出現(xiàn)故障，可以在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉加速器,。倘若發(fā)生地震等自然災(zāi)害,，散裂中子源機(jī)器便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，輻射場立即消失,。經(jīng)反復(fù)論證研究,，散裂中子源是比較清潔的射線裝置?！标惡蜕f,。

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