中子散射：探索微观世界 助力国计民生

李中

近年来，我国国防科技领域重大突破不断涌现：C919大型客机首飞成功、“复兴号”高铁动车组不断提速、国产航母成功下水……这些大国重器的研发成功使我国走上了科技发展的快车道。在这些大国重器的研发过程中，哪种材料最合适？哪种构型最安全？出现了问题是什么原因引起的？利用X射线等常规技术远远满足不了国防科技发展的需求。为了能够深层次地探测材料部件深部机理的技术——“中子散射技术”挺身而出，并已经在相关领域发挥了自己强大的作用。

目前，中子散射技术应用范围不断扩大，该技术的发展水平和应用程度已成为衡量一个国家科技综合实力的重要标志之一。在我国，建设自己的中子散射科研平台，不用千里迢迢远赴国外开展中子散射实验研究，不仅是中国科学家心中的夙愿，也是当前我国航空、航天、核工业等重大装备前沿研究领域的迫切需求。

中国原子能科学研究院中子散射实验室成（以下简称“中子散射实验室”）立于1981年，是我国最早开展中子散射实验研究的基地。这个承载着科学家梦想的科学平台，进行了那些探索？发挥了哪些作用？作出了哪些贡献？

带着这些疑问，我们来到了中子散射实验室，为公众揭开这个前沿科学领域实验室的神秘面纱。

中子散射实验室的前世今生

阳光普照，大干世界的色彩赏心悦目，我们通过双眼洞察世界万物的美好。其实，中子散射技術与我们日常观察世界的手段和方法有异曲同工之妙。所谓中子散射技术，就是以中子源（相当于太阳）引出的中子束（相当于可见光）为探针，通过中子探测器（相当于眼睛）收集与被研究对象相互作用后中子能量与动量的变化以及相应中子强度分布情况，然后通过电脑程序分析处理（相当于人脑）来获取被研究对象内部组分、结构和动力学等相关信息（多彩的微观世界）。通俗地讲，中子散射技术可以告诉我们“物质世界中原子、分子在哪里，它们在做什么”。

中子散射技术是研究材料微观结构和观测材料内部动力学行为的有效手段，可谓是材料研究界的“火眼金睛”。与X射线、电子等表征工具相比，中子的性质决定了中子散射技术具有许多独到之处：中子作为原子核的核子之一，不带电，直接与原子核发生作用，其相干散射长度与各元素的原子序数无关，且各同位素因核结构不同而具有不同的相干散射长度，因此能区分同位素和邻近元素;中子具有磁矩，能够获得磁性材料的磁结构信息;中子具有极强的穿透能力，不仅能够开展大型工程部件深度无损检测测量，而且还可加载高低温、磁场、压力等极端样品环境，实现材料在极端条件下的原位实时测量;中子具有较宽的波长范围，其研究空间尺度范围涵盖毫米、微米、纳米乃至埃米，研究对象小到分子、原子，大到病毒、细胞、工程部件等;冷、热中子的能量与原子、分子的热振动能量相当，是研究晶格动力学的最佳选择之一。

1958年6月13日，位于中科院原子能研究所（现中国原子能科学研究院）的我国第一座研究堆——重水研究堆首次达到临界，并于当年9月27日正式投入运行。在钱三强、何泽慧等所领导的支持下，戴传增、张焕乔、叶春堂等老一辈专家积极推动与由王大珩担任所长的长春光机所合作，在重水反应堆上建造了一台中子晶体谱仪（“跃进一号”）和我国第一台中子衍射谱仪，这也成为我国中子散射研究的发端。

1981年，在钱三强和章综院士的倡导下，中国原子能科学研究院、中科院物理所和低温中心依托重水堆共同建立了我国第一个中子散射实验室，并于1988年建成当时亚洲处于领先水平的液氢冷却的冷中子源。实验室共拥有6台中子谱仪（中子粉末衍射仪、中子四圆衍射仪、双转子中子飞行时间谱仪、中子三轴谱仪、广角铍过滤探测器非弹性散射中子谱仪、中子小角散射谱仪），在凝聚态物理、材料科学等方面作出了一批具有国际水平的工作，并培养出一支专业的中子散射团队。

但是受制于高昂的中子谱仪造价和反应堆运行费用，再加上国家经济条件限制无法给予专项经费的支持，从1981年实验室成立至21世纪初，我国中子散射技术的发展缓慢。

更新换代 多渠道合作焕发新活力

自20世纪50年代起步，经过几十年的发展，中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认，以美国为首的西方发达国家已经将中子散射技术广泛应用于军事和民用领域，对于提升各学科领域科学研究水平、提高尖端产品研发能力起到了重要的推动作用。进入21世纪，随着国力的不断增加，我国政府也逐步加强对中子散射技术的支持，我国中子散射技术的发展也自此走上了快车道。

2007年，随着为我国核科学核技术发展作出卓越贡献的重水研究堆的光荣退役，设计指标达到国际一流水平的“中国先进研究堆”为我国中子散射事业的发展迎来了曙光。但是，中国先进研究堆立项时用于建设中子谱仪的经费非常有限，可如果不在建设研究堆的同时尽快建造中子谱仪，那么反应堆建成后也将远远无法发挥它的作用。

当时，时任中子散射实验室主任的陈东风研究员勇担重任，面对这一被动局面，充分借鉴国外中子散射科学平台的发展方式，提出了国内外多渠道合作共赢的谱仪研制开发模式。

在国际合作方面，中子散射实验室首先与瑞典研究堆合作，引进了中子残余应力谱仪的关键部件。紧接着，实验室又经过与几个国家的激烈竞争，以很小的代价从德国于力希实验室引进了当时造价近亿人民币的三台先进中子谱仪，并与德方签署战略合作协议成立中德联合中子散射实验室，每年通过交换人员的方式加强交流合作，打开了国际人才培养的重要突破口。

在国内合作方面，中子散射实验室先后与中科院化学所、中科院物理所、北京大学、中国人民大学、中南大学、中国科学院大学等高校及科研院所，在国家自然科学基金委、国家科技部、国家教育部等部门的大力支持下强强联合共同研制中子谱仪并开展中子散射研究。

目前，原子能院中子散射实验室已经完成了粉末谱仪（2台）、应力谱仪、织构谱仪、四圆谱仪、热中子三轴谱仪（2台）、小角谱仪和反射谱仪这9台一期中子散射谱仪和中子照相测试平台的建设，中国先进研究堆中子散射大科学初具规模，并已成功获得首批实验结果。目前，二期谱仪中的冷中子三轴谱仪、冷中子广谱谱仪、工业应用谱仪、热中子照相装置、冷中子照相装置、热中子活化分析装置、冷中子活化分析装置、常规活化分析装置共计8台设备正在建设之中。在第三期谱仪的规划中，中心计划建设冷中子衍射谱仪、极化反射谱仪、工业应用小角谱仪（40m）、多功能飞行时间谱仪等四台谱仪，以满足不断增长的用户需求。

助力国防 服务民生

现今，中子散射已广泛地应用到材料、物理、化学、生物、地质、能源、医疗卫生和环境保护等众多研究领域，中国先进研究堆中子散射大科学装置为众多学科及前沿交叉领域提供了先进的研究手段，已经成为基础科学研究和先进工业应用的重要平台。此外，在满足国防、军工、核能等国家重大需求领域方面，中子散射技术为新型材料研发、关键装备无损检测等也提供了不可替代的研究工具。特别是中子残余应力谱仪、中子织构谱仪和中子照相装置在军工领域发挥重要作用。

在现代化、高端化制造过程中，工程构件的设计、制造和应用都是以构件的尺寸精度、应力状态和材料微结构的精确控制为根本前提。原子能院基于中国先进研究堆中子散射大科学装置，现已建立完备的中子束无损检测技术方法体系，着重开展三维、无损、深度的应力测量、体织构测试以及部件内部结构的宏观成像分析，以满足我国在核电、航空、新能源、石化等领域的重大需求，将为我国航空航天、高铁及核工业等领域结构与功能材料的自主设计、开发及发挥现有材料的性能潜力提供理论依据和技术支持。

中子残余应力谱仪用于无损测量材料及部件内部残余应力的测量。残余应力是指材料在加工过程中由于不均匀的应力场、应变场、温度场和组织不均匀性，在变形后的变形体内保留下来的应力。它是直接影响工程材料和部件疲劳、应力腐蚀、微动磨损等使用效能的关键因素，工程关键部件的使用寿命、抗疲劳可靠性或使用精度都与残余应力密切相关。残余应力测量可以研究焊接技术、铸造和锻造成形工艺，喷丸、表面硬化等表面变形工艺，应力腐蚀裂纹等，还可研究材料内部宏观、微观应力与工程部件使用过程中材料损伤的相关联性，准确预估服役安全及使用寿命。

CARR中子织构谱仪是我国第一台专用于织构测量的中子谱仪。多晶材料由于受到外界条件或不同加工工艺的影响，材料中的各晶粒会沿着某些方向排列，呈现出或多或少的統计不均匀分布。这种组织结构及规则聚集排列状态类似于天然纤维或织物的结构和纹理，故称之为织构。通过测量工程材料在加工过程中其织构的形成和变化规律，为改善核工业、航空、航天、汽车以及军工等领域所用材料的处理工艺、部件加工流程提供重要的理论依据。比如，研究制备加工、使用条件等因素对锆合金包壳材料（核燃料元件包壳和堆芯的其它结构材料）织构的影响，进而探索织构的形成对其力学性能、辐照性能及吸氢特性的影响，改善和提高锆合金包壳材料的综合性能，适应新一代反应堆的发展要求。利用中子的深穿透性和非破坏性，还可开展考古和地质领域材料织构的研究工作，通过研究得到样品的历史信息，如地壳深处矿物的形成机理、古代化石的形成过程等。中子照相技术是通过分析中子束穿过样品引起的强度变化，来获取样品内部结构的可视化图像的方法。中子照相与X射线和Gamma射线成像一样，属于材料无损检测和无损评价学科领域，但相比之下，中子成像具有穿透性强、成像直观、适用样品范围广等突出的优势。中子照相作为一种无损检测手段，能够获取许多其它射线照相方法无法得到的信息，目前在航天、航空、军工、核工业、石油、化工、能源存储、汽车工业、电子元器件、材料学、冶金工业、医学、建筑、考古、生物学等领域中有着广泛的需求和应用。

继往开来，随着“中国制造2025”强国战略目标的深入实施，中子散射技术必将发挥更大的作用。