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(zhì)的微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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(yīng)是產(chǎn)生中子的重要手段，通過高能質(zhì)子轟擊鎢靶經(jīng)過散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，并探測所產(chǎn)生的中子與物質(zhì)相互作用后的行為，能夠揭示出物質(zhì)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和動力學特性，其獨特優(yōu)勢使其在多個領(lǐng)域發(fā)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(zhì)子加速到0.9倍光速，形成高能質(zhì)子束，如同出膛的子彈。這些高能質(zhì)子束會去轟擊一個由重金屬（如鎢）制成的靶體。質(zhì)子與靶體原子核發(fā)生劇烈碰撞時會擊碎原子核，專業(yè)的說法是發(fā)生了“散裂反應(yīng)”，從而炸出大量的中子。這些炸出的中子經(jīng)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(fā)生相互作用后，其飛行方向、速度等特性會發(fā)生改變，即發(fā)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(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)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(zhì)體系的微觀結(jié)構(gòu)方面具有獨特優(yōu)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(yīng)用范圍非常廣泛，其在若干重要領(lǐng)域發(fā)揮著其他手段難以替代的關(guān)鍵作用。

1、材料研發(fā)與高端制造

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

2、生命科學與醫(yī)療健康

散裂中子源在生命科學領(lǐng)域同樣大有可為。例如，基于散裂中子源技術(shù)發(fā)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(shù)。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(chǎn)生的熱中子束照射腫瘤部位，中子與硼-10發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生高殺傷力的粒子，從而精準摧毀癌細胞，因為產(chǎn)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(shù)的BNCT項目正在東莞市人民醫(yī)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(chǔ)科學研究前沿

例如高溫超導機理研究、新型磁性材料開發(fā)等領(lǐng)域，散裂中子源憑借其對物質(zhì)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(fā)高性能記錄介質(zhì)、理解超導機制等至關(guān)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(wěn)定可靠，已完成了大量國內(nèi)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(shè)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(tài)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(xiàn)跨越式增長。

中國散裂中子源作為探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的強大平臺，其價值不僅在于推動基礎(chǔ)科學的進步，更在于切實解決國家重大需求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的關(guān)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(xiàn)：“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(guān)聚變能源，“高能同步輻射光源”解析微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)用場景？

來源：騰訊太空

編輯：子木

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