中國散裂中子源是如何工作的？有哪些應用場景？

中國散裂中子源位于廣東東莞，是我國一項標志性的大科學裝置，它就像一臺 “超級顯微鏡” ，能夠以極高的精度探測物質的微觀內部結構。

散裂中子源，這個名字聽起來可能會有點既熟悉又陌生的感覺。中學物理就講過什么是中子，它是原子核的組成部分，然而加上”散裂”這個定語，很多人就搞不懂了。散裂反應是產生中子的重要手段，通過高能質子轟擊鎢靶經過散裂反應產生中子，并探測所產生的中子與物質相互作用后的行為，能夠揭示出物質內部的微觀結構和動力學特性，其獨特優勢使其在多個領域發揮著不可替代的作用。

喜歡打臺球的小伙伴都知道，開局的時候，要用最大的力氣炸開球堆，這個過程和我們散裂中子源的工作原理有點類似。我們首先利用加速器將質子加速到0.9倍光速，形成高能質子束，如同出膛的子彈。這些高能質子束會去轟擊一個由重金屬（如鎢）制成的靶體。質子與靶體原子核發生劇烈碰撞時會擊碎原子核，專業的說法是發生了“散裂反應”，從而炸出大量的中子。這些炸出的中子經過“慢化”處理后，會形成適合科學研究的中子束流，并通過導管引向不同的中子譜儀。

在譜儀位置，中子束被引導到待測的實驗樣品上。中子與樣品中的原子核發生相互作用后，其飛行方向、速度等特性會發生改變，即發生“中子散射”。

科學家們通過精密探測器捕捉這些散射中子的信息，進而反推出被測物質的微觀結構及其運動規律。由于中子不帶電、穿透力強，不會對樣品造成顯著的損害，且對輕元素靈敏，使得散裂中子源在探測復雜物質體系的微觀結構方面具有獨特優勢。

圖：2019年2月，楊振寧曾參觀中國散裂中子源的直線隧道。他身后就是直線加速器。

散裂中子源的重要用途

散裂中子源的應用范圍非常廣泛，其在若干重要領域發揮著其他手段難以替代的關鍵作用。

1、材料研發與高端制造

在航空航天、高鐵等領域，關鍵部件（如發動機葉片、高鐵車輪）的內部殘余應力是影響其壽命和安全性的關鍵因素。散裂中子源產生的中子能穿透金屬部件內部，非破壞性地精確測量其內部應力分布，為優化加工生產工藝、提高可靠性提供直接依據。例如，在新型鋰離子電池的研發中，散裂中子源是少數能夠精準追蹤充放電過程中鋰離子運動軌跡的技術之一。這為開發容量更大、充電更快、安全性更高的電池提供了關鍵指導。

2、生命科學與醫療健康

散裂中子源在生命科學領域同樣大有可為。例如，基于散裂中子源技術發展的加速器硼中子俘獲治療（BNCT） 是一種前沿的癌癥治療技術。其原理是給患者注射含硼藥物，該藥物會特異性地聚集在癌細胞中。

隨后利用散裂中子源產生的熱中子束照射腫瘤部位，中子與硼-10發生核反應產生高殺傷力的粒子，從而精準摧毀癌細胞，因為產生的粒子射程較短，對周圍健康組織損傷很小。目前，基于散裂中子源技術的BNCT項目正在東莞市人民醫院推進，目前已完成首例病人的臨床治療，為癌癥治療提供了新的路徑。

3、基礎科學研究前沿

例如高溫超導機理研究、新型磁性材料開發等領域，散裂中子源憑借其對物質磁矩的敏感性，能夠幫助科學家獲取材料磁性特征的詳細信息，這對于開發高性能記錄介質、理解超導機制等至關重要。

中國散裂中子源自2018年通過國家驗收并正式運行以來，裝置性能穩定可靠，已完成了大量國內外科研用戶的實驗課題。為了滿足日益增長的用戶需求和更前沿的科學研究， 中國散裂中子源二期工程已于2024年1月啟動 。二期工程計劃將裝置的束流功率從100千瓦提升到500千瓦，并建設更多的中子譜儀和實驗終端。這意味著這座“超級顯微鏡”的“亮度”將大幅提升，能夠更快、更清晰地洞察更微小的樣品和更快的動態過程，屆時將有更多的樣品可以同時在不同的中子譜儀進行實驗，其研究能力將實現跨越式增長。

中國散裂中子源作為探索物質微觀結構的強大平臺，其價值不僅在于推動基礎科學的進步，更在于切實解決國家重大需求和產業發展中的關鍵問題，是名副其實的“國之重器”。

21世紀以來，科學研究范式正從“小作坊”模式邁向“大科學”工程。在此浪潮中，中國一批科研重器蓬勃涌現：“中國天眼”聆聽深空電磁波，“阿里計劃”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙線觀測站”探測超高能粒子，“人造太陽”攻關聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結構等等。這些大科學裝置合力拓展人類認知邊界。

原標題：科學重器 | 以0.9倍光速轟擊鎢靶，中國散裂中子源是如何工作的？有哪些應用場景？

來源：騰訊太空

編輯：子木

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