探索微觀世界的“火眼金睛”

文 陳和生

散裂中子源究竟是什么？簡單來說，散裂中子源就是一種“超級顯微鏡”，其散射的中子如同“探針”，可以清晰檢測物質的內部結構，因此被認為是當今人類深度探索微觀世界的有力工具。它廣泛應用于新材料研發、關鍵零部件的性能檢測、癌癥治療等熱門領域，為材料科學、生命科學、環境科學等基礎研究，提供了先進的現代技術平臺，對解決前沿科學問題具有重大意義，是當之無愧的“國之重器”。

看透物質結構的“火眼金睛”——中子

如何去研究微觀結構呢？我們在中學時可以用顯微鏡來看花粉、看細胞等。如果還想看更精細的結構，可以用電子顯微鏡。而要想看到分子結構，就需要用散裂中子源，或者是同步輻射光源，我們把它叫作超級顯微鏡。什么是同步輻射呢？同步輻射實際上就是非常強的X光，大家在醫院做檢查用的就是X光，但是同步輻射比它要強百億倍。用一般的方法是得不到這么強的X光的，所以就要利用大型的加速器，電子的束流在磁場拐彎的時候，會產生非常強的X光，我們把它叫作同步輻射。利用專門的加速器來產生很強的同步輻射，這樣就能夠研究物質的結構，比如說上海同步輻射光源、北京同步輻射裝置、合肥同步輻射裝置。

散裂中子源產生中子，打在樣品上并產生相互作用以后，它的方向和動量都改變了，用探測儀器把這個樣品包起來，看看入射進來的中子經過樣品之后的變化，反過來就可以用數學方法反推出它的結構。

中子從哪兒來？自由的中子在正常的狀態之下，壽命很短，自然界中自由的中子壽命大概就是20分鐘，沒有辦法利用它。絕大部分的中子都是在原子核里，質子、中子組成原子核，要得到自由的中子，需要從專門的大科學裝置來產生。這種裝置有兩類：一類是反應堆。反應堆的中子源是利用鈾-235裂變的時候產生中子，它的問題是產生中子的時候，附帶產生很高的熱量，這樣就會產生一些危險。比如2011年，日本福島核電站發生的事故。在世界上，現在能夠找到核反應堆的地方，越來越困難，從環保的角度，這樣類型的反應堆逐漸地淡出了。第二種產生中子的實驗設施就是散裂中子源。它是用高能的質子去打靶，產生中子，這樣就沒有反應堆那樣很高的反應熱的問題，只要關掉電源，它就停止運行，不會有任何安全問題。所以現在發展的趨勢，就是逐步地用散裂中子源來代替反應堆，從事中子散射的研究。

散裂中子源造價高、技術復雜，中子探測起來也非常困難，實驗的難度非常高，所以在我們中國的散裂中子源建成之前，全世界只有3臺，分別在英國的盧瑟福實驗室、美國的橡樹嶺實驗室和日本的原子能機構。經過大約20年的謀劃和建設，2018年8月，中國自己的散裂中子源終于在廣東東莞“橫空出世”，正式投入運行。由此，我國成為世界上第4個擁有這一科技“重器”的國家。

中國散裂中子源“初露鋒芒”

近年來，我國建成的上海光源、散裂中子源等大科學裝置，在提高自主創新能力方面發揮了重要作用，大大縮小了與發達國家的差距。與此同時，圍繞這些大科學裝置建成的科學與技術中心，也具有特殊的輻射、示范、引領作用，逐漸構筑起了重要的創新“高地”。但是，打造大科學裝置與制造一般的科研儀器設施不同，需要在建設中研制大量的非標準設備，而且規模大、建設周期長、投資巨大，需要匯集大批科學家和工程師，因此，會遇到工程建設與科學研究的雙重挑戰。

散裂中子源由三大部分構成，包括加速器、重金屬的靶、譜儀。其中，所謂譜儀就是實驗終端。中國散裂中子源，它的加速器包括兩部分，一部分是8000萬電子伏特的質子直線加速器，注入快循環同步加速器，跑兩萬多圈，把它加速到16億電子伏特，能量提高20倍。然后就去打靶，是一個鎢靶，用水冷的鎢靶，效率非常高，能夠產生非常強又非常短的中子。我們在靶站的周圍，建設很多譜儀，把樣品放在譜儀的中間，用探測器把它包起來，這樣就能夠知道，中子打上去以后，發生了什么情況。這個樣品就像一張漁網，我們往漁網上扔好多玻璃球，有的球就穿過漁網的間隙走了，有的碰到漁網的結點，它改變了方向。把所有的這些玻璃球的信息都測量出來，經過數學方法，就可以反推出來這張網的結構，這就是中子散射的研究方法。

2017年8月28日，我們首次打靶成功，獲得了中子束流，而且中子的能譜，完全符合理論的計算。我們是一次打靶成功，調試的進度遠遠超過國際上其他散裂中子源。特別可喜的是，我們設備的國產化率超過了90%，美國、日本的散裂中子源，都花費十幾億美元，我們只用了18億元人民幣。2018年8月通過了國家驗收，獲得非常高的評價：裝置的整體設計科學合理，靶站的最高中子效率和3個譜儀性能達到國際先進水平，顯著地提升了我國在這個領域的技術水平和創新能力，使得我們國家在強流質子加速器和中子散射領域實現重大跨越，技術和綜合性能進入國際同類裝置的先進行列。

“國之重器”前途無量

作為一個用戶裝置，要求穩定高效運行。從2017年以來，我們的打靶功率節節提升，成功地達到了設計功率100千瓦的指標，始終做到穩定運行。目前注冊的用戶超過了2000人，其中來自粵港澳大灣區的有四分之一，還包括港澳用戶55人，國外用戶42人，完成課題400多項，其中企業課題達到13%以上。在前沿科學研究和國家發展的一些關鍵領域，我們已經發表了65篇文章。

新型的能源材料是我們工作的重點。因為新能源的材料，比如儲氫材料、鋰電池材料，還有燃料電池的核心就是氫、鋰和氧，而這3種元素都對中子研究非常有利，又很關鍵。比如鋰電池的研究，只有用中子才能夠搞清楚鋰電池的鋰在什么地方，它怎么運動，我們過去這兩年多的工作，鋰電池的研究是一個重點，獲得了很多成果。

散裂中子源研究所產生出來的新技術，還有一項是硼中子靶向治癌。硼中子靶向治癌，是一種新的精準治療癌癥的二維技術，它是利用中國散裂中子源發展起來的技術所研制的。這種治療方法，相信會開辟癌癥放射治療一個新的篇章。它最大的優點，就是能夠治療那些彌散的，甚至擴散的癌。我們正在進行動物實驗，一年以后將要開展臨床試驗，完成了臨床試驗以后，就可以進行臨床治療。這種技術需要的靶向藥物，也是目前研究的熱點，希望國內做藥、研究硼化學的相關人士一起努力，找到效果更好的靶向藥物，為人民健康服務。

中國散裂中子源現在還不能滿足國內的需求，因為國內的用戶增長非常迅速。2018年全世界發表的關于中子散射的文章，13%以上都有中國單位署名。現在我們的束流時間供不應求，2021年春天申請用戶的數目是2020年春天的兩倍，所以國家發展改革委已經批準了在“十四五”期間，進行散裂中子源的二期工程。二期工程將增建11臺譜儀，這樣就覆蓋了用戶的各個領域，同時把束流的功率，從現在的100千瓦提高到500千瓦，總投資30億元。

由于大科學裝置的社會影響和輻射效應，現在國內興建大科學裝置的熱情迅速提高，但是盲目上馬、低水平重復，會帶來很多問題。我們國家現在大科學裝置的數量及種類和發達國家已經比較相近了，但是我們裝置的實驗終端，它的數量和水平、研究工作的水平、科學產出和發達國家相比差距比較大。我們最緊迫的不是動員各個省市都去推動同步輻射、上散裂中子源建設，而是集中力量辦大事，集中我們有限的財力物力、集中我們有限的隊伍，把我們的大科學裝置建好，真正讓它達到國際先進水平。必須繼續堅持國家統一規劃和部署重大科技基礎設施的原則，堅持以國家科學技術發展戰略需求和用戶需求為導向，這是保證我們國家大科學裝置持續、健康發展的關鍵。