微觀世界的“探針”

夏風(fēng)

人類肉眼無法直接觀察微觀世界，所以人們需要借助各種設(shè)備來看清物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。觀察細(xì)胞，可以用光學(xué)顯微鏡；觀察病毒，可以用電子顯微鏡；而觀察更小的微觀結(jié)構(gòu)，可以用散裂中子源。

散裂中子源是什么

散裂中子源是由加速器提供的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生中子的大科學(xué)裝置。其原理是把質(zhì)子加速到一定的能量，然后把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質(zhì)子和中子，特殊的裝置將這些中子“收集”起來后，就可以開展各種實(shí)驗(yàn)了。

中子源有很多種，根據(jù)不同的產(chǎn)生方法，可分為放射性同位素中子源、自發(fā)裂變中子源、加速器中子源、反應(yīng)堆中子源和散裂中子源。高通量的中子源包括反應(yīng)堆中子源和散裂中子源。反應(yīng)堆中子源是一種穩(wěn)定而連續(xù)的中子源，不過反應(yīng)堆散熱技術(shù)存在一定的限制和較大的危險(xiǎn)，隨著科技的進(jìn)步和研究材料的不斷更新，散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生。

中子散射是一種強(qiáng)有力的探測手段。由于中子和光一樣具有波粒二象性，既有波的性質(zhì)—可以反射、折射、衍射、吸收，又有粒子的性質(zhì)—可以彈射、散射等，因此，中子能更輕松地穿透研究物體。將中子束打到研究物體上，部分中子會與物體的原子核發(fā)生相互作用，其運(yùn)動(dòng)方向也會發(fā)生改變，通過分析中子散射的軌跡、中子和物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)能量和動(dòng)量的變化，人們就可以反推研究物體的結(jié)構(gòu)。

全球建成的散裂中子源裝置共4個(gè)，分別是英國散裂中子源（ISIS）、美國散裂中子源（SNS）、日本散裂中子源（J-PARC）、中國散裂中子源（CSNS）。正在建設(shè)中的還有歐洲散裂中子源（ESS）。

散裂中子源的用途

散裂中子源是探測微觀世界的理想“探針”，可廣泛應(yīng)用于探測研究航天航空部件、核電站部件、生命科學(xué)材料、量子材料、磁性材料、超導(dǎo)材料、新型儲氫材料、鋰離子電池、可燃冰、高性能金屬玻璃，等等。散裂中子源可為解決新能源、新材料等諸多領(lǐng)域的微觀機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)提供強(qiáng)有力的支持。

電池是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，散裂中子源可以用來研究如何讓鋰電池容量更大、充電更快、使用更安全。比如，將鋰電池連同原位充放電設(shè)備放入中子散射譜儀內(nèi)，實(shí)時(shí)原位測量在幾百次充放電的過程中鋰電池各個(gè)部分微觀結(jié)構(gòu)和性能的變化，就能精確定位鋰電池的結(jié)構(gòu)缺陷，從而為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

殘余應(yīng)力是消除外力或不均勻的溫度場等作用后，仍留在物體內(nèi)的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械加工和強(qiáng)化工藝都能引起殘余應(yīng)力，如冷拉、彎曲、滾壓、鑄造、焊接和金屬熱處理等。殘余應(yīng)力一般是有害的，會引起零件發(fā)生翹曲或扭曲變形，甚至開裂。可是，殘余應(yīng)力的存在有時(shí)不會立即表現(xiàn)為缺陷，而是在零件因工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加導(dǎo)致總應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時(shí)，才會出現(xiàn)裂紋和斷裂。1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，傷亡慘重。最終調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故的元兇竟然是老化的車輪（常規(guī)檢查中，并未發(fā)現(xiàn)車輪存在安全風(fēng)險(xiǎn)），而發(fā)現(xiàn)這個(gè)元兇的就是英國散裂中子源。

殘余應(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。科研人員可以通過散裂中子源去探測材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尋找材料內(nèi)部潛在的微觀缺陷，研究材料的應(yīng)力。這對人們后期優(yōu)化機(jī)械加工工藝，提高材料的疲勞強(qiáng)度和耐磨性能，增加材料使用的安全性，有著十分重要的作用。

另外，散裂中子源在生物工程和醫(yī)藥領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，比如用于腫瘤的放射性治療研究，這已在許多發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用。

中國散裂中子源（CSNS） 坐落于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，是我中國首臺、世界第四臺脈沖型散裂中子源，填補(bǔ)了國內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白。整個(gè)裝置主要由一臺8000萬電子伏特負(fù)氫離子直線加速器、一臺16億電子伏特快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站，以及一期三臺供科學(xué)實(shí)驗(yàn)用的中子散射譜儀組成。2011年10月，項(xiàng)目在廣東東莞奠基。經(jīng)過6年多的緊張建設(shè)，2018年8月23日，CSNS順利通過國家驗(yàn)收，之后正式對全球用戶開放。

英國散裂中子源（ISIS） 屬盧瑟福·阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室RAL（Rutherford Appleton Laboratory），RAL由多個(gè)實(shí)驗(yàn)室合并而成，是國際著名的大型核物理、同步輻射光源、散裂中子源、空間科學(xué)、粒子天體物理、信息技術(shù)、大功率激光、多學(xué)科應(yīng)用研究中心。1985年10月，RAL建成了世界上亮度最高的散裂中子源ISIS，它也是國際凝聚態(tài)物質(zhì)研究方面的主要力量。

ISIS有兩個(gè)靶站，因升級改造需要，目前ISIS處于停工狀態(tài)。二期相關(guān)設(shè)施的管理與建設(shè)正在進(jìn)行中，這些設(shè)施將在2040年前投入使用。

美國散裂中子源（SNS） 是以加速器為基礎(chǔ)的中子源，耗資14億多美元，于2006年6月竣工。SNS的中央實(shí)驗(yàn)室和辦公大樓目前每年接待幾百名世界各國的研究人員，與中央實(shí)驗(yàn)室和辦公大樓相連的一座單獨(dú)建筑是納米相材料科學(xué)中心。SNS的設(shè)計(jì)留有余地，便于建造第二個(gè)靶裝置建筑，以使總的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岣咭槐丁NS的金屬靶不是鉭靶或鎢靶，而是液體水銀靶，SNS是第一個(gè)采用水銀作為質(zhì)子束流靶的科學(xué)裝置。

歐洲散裂中子源（ESS）一所正在建設(shè)中的跨領(lǐng)域科研機(jī)構(gòu)，由13個(gè)歐盟國家共同出資建設(shè)和運(yùn)營。ESS的實(shí)驗(yàn)設(shè)施定址于瑞典隆德，而數(shù)據(jù)管理位于丹麥哥本哈根。

建成后的ESS將是世界上通量最高的脈沖型散裂中子源和最先進(jìn)的粒子物理實(shí)驗(yàn)室之一，將為進(jìn)一步研究原子核結(jié)構(gòu)提供更加完善的工具。ESS靶體的核心材料和中國散裂中子源的一樣—都是鎢，其鎢靶體材料重達(dá)11噸。運(yùn)行時(shí)的鎢靶體溫度將達(dá)到幾百攝氏度，不過，這些散裂過程產(chǎn)生的熱將被回收并用于當(dāng)?shù)鼐用竦募訜嵩O(shè)施改造。