中子散射：探索微觀世界 助力國計民生

李中

近年來，我國國防科技領域重大突破不斷涌現：C919大型客機首飛成功、“復興號”高鐵動車組不斷提速、國產航母成功下水……這些大國重器的研發成功使我國走上了科技發展的快車道。在這些大國重器的研發過程中，哪種材料最合適？哪種構型最安全？出現了問題是什么原因引起的？利用X射線等常規技術遠遠滿足不了國防科技發展的需求。為了能夠深層次地探測材料部件深部機理的技術——“中子散射技術”挺身而出，并已經在相關領域發揮了自己強大的作用。

目前，中子散射技術應用范圍不斷擴大，該技術的發展水平和應用程度已成為衡量一個國家科技綜合實力的重要標志之一。在我國，建設自己的中子散射科研平臺，不用千里迢迢遠赴國外開展中子散射實驗研究，不僅是中國科學家心中的夙愿，也是當前我國航空、航天、核工業等重大裝備前沿研究領域的迫切需求。

中國原子能科學研究院中子散射實驗室成（以下簡稱“中子散射實驗室”）立于1981年，是我國最早開展中子散射實驗研究的基地。這個承載著科學家夢想的科學平臺，進行了那些探索？發揮了哪些作用？作出了哪些貢獻？

帶著這些疑問，我們來到了中子散射實驗室，為公眾揭開這個前沿科學領域實驗室的神秘面紗。

中子散射實驗室的前世今生

陽光普照，大干世界的色彩賞心悅目，我們通過雙眼洞察世界萬物的美好。其實，中子散射技術與我們日常觀察世界的手段和方法有異曲同工之妙。所謂中子散射技術，就是以中子源（相當于太陽）引出的中子束（相當于可見光）為探針，通過中子探測器（相當于眼睛）收集與被研究對象相互作用后中子能量與動量的變化以及相應中子強度分布情況，然后通過電腦程序分析處理（相當于人腦）來獲取被研究對象內部組分、結構和動力學等相關信息（多彩的微觀世界）。通俗地講，中子散射技術可以告訴我們“物質世界中原子、分子在哪里，它們在做什么”。

中子散射技術是研究材料微觀結構和觀測材料內部動力學行為的有效手段，可謂是材料研究界的“火眼金睛”。與X射線、電子等表征工具相比，中子的性質決定了中子散射技術具有許多獨到之處：中子作為原子核的核子之一，不帶電，直接與原子核發生作用，其相干散射長度與各元素的原子序數無關，且各同位素因核結構不同而具有不同的相干散射長度，因此能區分同位素和鄰近元素;中子具有磁矩，能夠獲得磁性材料的磁結構信息;中子具有極強的穿透能力，不僅能夠開展大型工程部件深度無損檢測測量，而且還可加載高低溫、磁場、壓力等極端樣品環境，實現材料在極端條件下的原位實時測量;中子具有較寬的波長范圍，其研究空間尺度范圍涵蓋毫米、微米、納米乃至埃米，研究對象小到分子、原子，大到病毒、細胞、工程部件等;冷、熱中子的能量與原子、分子的熱振動能量相當，是研究晶格動力學的最佳選擇之一。

1958年6月13日，位于中科院原子能研究所（現中國原子能科學研究院）的我國第一座研究堆——重水研究堆首次達到臨界，并于當年9月27日正式投入運行。在錢三強、何澤慧等所領導的支持下，戴傳增、張煥喬、葉春堂等老一輩專家積極推動與由王大珩擔任所長的長春光機所合作，在重水反應堆上建造了一臺中子晶體譜儀（“躍進一號”）和我國第一臺中子衍射譜儀，這也成為我國中子散射研究的發端。

1981年，在錢三強和章綜院士的倡導下，中國原子能科學研究院、中科院物理所和低溫中心依托重水堆共同建立了我國第一個中子散射實驗室，并于1988年建成當時亞洲處于領先水平的液氫冷卻的冷中子源。實驗室共擁有6臺中子譜儀（中子粉末衍射儀、中子四圓衍射儀、雙轉子中子飛行時間譜儀、中子三軸譜儀、廣角鈹過濾探測器非彈性散射中子譜儀、中子小角散射譜儀），在凝聚態物理、材料科學等方面作出了一批具有國際水平的工作，并培養出一支專業的中子散射團隊。

但是受制于高昂的中子譜儀造價和反應堆運行費用，再加上國家經濟條件限制無法給予專項經費的支持，從1981年實驗室成立至21世紀初，我國中子散射技術的發展緩慢。

更新換代 多渠道合作煥發新活力

自20世紀50年代起步，經過幾十年的發展，中子散射的重要性已經得到國際學術界的公認，以美國為首的西方發達國家已經將中子散射技術廣泛應用于軍事和民用領域，對于提升各學科領域科學研究水平、提高尖端產品研發能力起到了重要的推動作用。進入21世紀，隨著國力的不斷增加，我國政府也逐步加強對中子散射技術的支持，我國中子散射技術的發展也自此走上了快車道。

2007年，隨著為我國核科學核技術發展作出卓越貢獻的重水研究堆的光榮退役，設計指標達到國際一流水平的“中國先進研究堆”為我國中子散射事業的發展迎來了曙光。但是，中國先進研究堆立項時用于建設中子譜儀的經費非常有限，可如果不在建設研究堆的同時盡快建造中子譜儀，那么反應堆建成后也將遠遠無法發揮它的作用。

當時，時任中子散射實驗室主任的陳東風研究員勇擔重任，面對這一被動局面，充分借鑒國外中子散射科學平臺的發展方式，提出了國內外多渠道合作共贏的譜儀研制開發模式。

在國際合作方面，中子散射實驗室首先與瑞典研究堆合作，引進了中子殘余應力譜儀的關鍵部件。緊接著，實驗室又經過與幾個國家的激烈競爭，以很小的代價從德國于力希實驗室引進了當時造價近億人民幣的三臺先進中子譜儀，并與德方簽署戰略合作協議成立中德聯合中子散射實驗室，每年通過交換人員的方式加強交流合作，打開了國際人才培養的重要突破口。

在國內合作方面，中子散射實驗室先后與中科院化學所、中科院物理所、北京大學、中國人民大學、中南大學、中國科學院大學等高校及科研院所，在國家自然科學基金委、國家科技部、國家教育部等部門的大力支持下強強聯合共同研制中子譜儀并開展中子散射研究。

目前，原子能院中子散射實驗室已經完成了粉末譜儀（2臺）、應力譜儀、織構譜儀、四圓譜儀、熱中子三軸譜儀（2臺）、小角譜儀和反射譜儀這9臺一期中子散射譜儀和中子照相測試平臺的建設，中國先進研究堆中子散射大科學初具規模，并已成功獲得首批實驗結果。目前，二期譜儀中的冷中子三軸譜儀、冷中子廣譜譜儀、工業應用譜儀、熱中子照相裝置、冷中子照相裝置、熱中子活化分析裝置、冷中子活化分析裝置、常規活化分析裝置共計8臺設備正在建設之中。在第三期譜儀的規劃中，中心計劃建設冷中子衍射譜儀、極化反射譜儀、工業應用小角譜儀（40m）、多功能飛行時間譜儀等四臺譜儀，以滿足不斷增長的用戶需求。

助力國防 服務民生

現今，中子散射已廣泛地應用到材料、物理、化學、生物、地質、能源、醫療衛生和環境保護等眾多研究領域，中國先進研究堆中子散射大科學裝置為眾多學科及前沿交叉領域提供了先進的研究手段，已經成為基礎科學研究和先進工業應用的重要平臺。此外，在滿足國防、軍工、核能等國家重大需求領域方面，中子散射技術為新型材料研發、關鍵裝備無損檢測等也提供了不可替代的研究工具。特別是中子殘余應力譜儀、中子織構譜儀和中子照相裝置在軍工領域發揮重要作用。

在現代化、高端化制造過程中，工程構件的設計、制造和應用都是以構件的尺寸精度、應力狀態和材料微結構的精確控制為根本前提。原子能院基于中國先進研究堆中子散射大科學裝置，現已建立完備的中子束無損檢測技術方法體系，著重開展三維、無損、深度的應力測量、體織構測試以及部件內部結構的宏觀成像分析，以滿足我國在核電、航空、新能源、石化等領域的重大需求，將為我國航空航天、高鐵及核工業等領域結構與功能材料的自主設計、開發及發揮現有材料的性能潛力提供理論依據和技術支持。

中子殘余應力譜儀用于無損測量材料及部件內部殘余應力的測量。殘余應力是指材料在加工過程中由于不均勻的應力場、應變場、溫度場和組織不均勻性，在變形后的變形體內保留下來的應力。它是直接影響工程材料和部件疲勞、應力腐蝕、微動磨損等使用效能的關鍵因素，工程關鍵部件的使用壽命、抗疲勞可靠性或使用精度都與殘余應力密切相關。殘余應力測量可以研究焊接技術、鑄造和鍛造成形工藝，噴丸、表面硬化等表面變形工藝，應力腐蝕裂紋等，還可研究材料內部宏觀、微觀應力與工程部件使用過程中材料損傷的相關聯性，準確預估服役安全及使用壽命。

CARR中子織構譜儀是我國第一臺專用于織構測量的中子譜儀。多晶材料由于受到外界條件或不同加工工藝的影響，材料中的各晶粒會沿著某些方向排列，呈現出或多或少的統計不均勻分布。這種組織結構及規則聚集排列狀態類似于天然纖維或織物的結構和紋理，故稱之為織構。通過測量工程材料在加工過程中其織構的形成和變化規律，為改善核工業、航空、航天、汽車以及軍工等領域所用材料的處理工藝、部件加工流程提供重要的理論依據。比如，研究制備加工、使用條件等因素對鋯合金包殼材料（核燃料元件包殼和堆芯的其它結構材料）織構的影響，進而探索織構的形成對其力學性能、輻照性能及吸氫特性的影響，改善和提高鋯合金包殼材料的綜合性能，適應新一代反應堆的發展要求。利用中子的深穿透性和非破壞性，還可開展考古和地質領域材料織構的研究工作，通過研究得到樣品的歷史信息，如地殼深處礦物的形成機理、古代化石的形成過程等。中子照相技術是通過分析中子束穿過樣品引起的強度變化，來獲取樣品內部結構的可視化圖像的方法。中子照相與X射線和Gamma射線成像一樣，屬于材料無損檢測和無損評價學科領域，但相比之下，中子成像具有穿透性強、成像直觀、適用樣品范圍廣等突出的優勢。中子照相作為一種無損檢測手段，能夠獲取許多其它射線照相方法無法得到的信息，目前在航天、航空、軍工、核工業、石油、化工、能源存儲、汽車工業、電子元器件、材料學、冶金工業、醫學、建筑、考古、生物學等領域中有著廣泛的需求和應用。

繼往開來，隨著“中國制造2025”強國戰略目標的深入實施，中子散射技術必將發揮更大的作用。