中國散裂中子源園區(qū)鳥瞰圖。 　　中國散裂中子源供圖

日前，位于廣東東莞的國家大科學工程——中國散裂中子源(CSNS)首次打靶成功，獲得中子束流，這標志著CSNS主體工程順利完工，進入試運行階段。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。

一問：是什么?

就像一臺“超級顯微鏡”，可以研究物質(zhì)的微觀結構

“當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)的微觀結構和運動規(guī)律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態(tài)。這種研究手段就叫中子散射技術。”中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生說。

1932年，英國物理學家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們開始認識到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構成的。中子的發(fā)現(xiàn)及應用是20世紀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，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)結構和動力學性質(zhì)的理想探針之一，和X射線一樣，是多學科研究中探測物質(zhì)微觀結構和原子運動的強有力手段。

陳和生進一步解釋說：“打個比方，假設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，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)。”

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

高通量的中子源包括反應堆中子源和散裂中子源。核反應堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學研究中發(fā)揮了巨大的作用。但由于反應堆散熱技術的限制，反應堆中子通量在上世紀六七十年代就達到了飽和。隨著科技的進步，相應的研究體系如薄膜、納米團簇、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，散裂中子源應運而生。

“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，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強的中子束流，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、結晶材料、聚合物等物質(zhì)的微觀結構。”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，發(fā)達國家普遍利用散裂中子源進行中子散射研究。目前，世界上正在運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研究和高技術的水平。

雖然中子如此微小，但產(chǎn)生強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。主要建設內(nèi)容包括1臺束流能量為80兆電子伏特的負氫離子直線加速器、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條束流輸運線、1個靶站和3臺譜儀，以及相應的配套設施和土建工程。

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，我們還預留了進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)的晶體結構和磁結構;多功能反射儀通過分析來自樣品的反射中子，研究物質(zhì)的表面和界面結構;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)結構。”陳和生說。

三問：有啥用?

可使高鐵和飛機更安全舒適，能用于腫瘤的放射性治療研究

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

陳和生舉了個例子。“1998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。”

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

陳和生說：“散裂中子源技術在生物、生命、醫(yī)藥等研究領域也發(fā)揮著X射線無法替代的作用，并與同步輻射光源互為補充，成為基礎科學研究和新材料研發(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)達國家得到應用。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可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩(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依據(jù)。”

CSNS裝置的建設也將大大加強國內(nèi)中子散射科學和應用界的國際交流和合作，為我國的中子散射技術和應用在國際前沿領域占據(jù)一席之地提供良好的機遇。

“CSNS建設過程中，質(zhì)子加速器、靶站、中子譜儀的建設，都涉及大量具有戰(zhàn)略意義的高技術，這些技術難關需要中國最高水平的科研力量攜手攻克。所以，該項目的建設將吸引大批世界級的科學家前來進行科研活動，建成后將吸引國內(nèi)外逾600名專家學者匯聚東莞搞研究。”中國科學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于乘一次長途飛機

如此龐大的科學裝置，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于乘1次長途飛機。”

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》也提出了事故應急預案。由于散裂中子源是射線裝置，只要斷電停機，中子源產(chǎn)生的主要輻射立即消失。

另外，散裂中子源與反應堆類的核裝置完全不同，不需要核原料，沒有鏈式核反應，加速器運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，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)關閉加速器。倘若發(fā)生地震等自然災害，散裂中子源機器便停止運轉，輻射場立即消失。經(jīng)反復論證研究，散裂中子源是比較清潔的射線裝置。”陳和生說。