探索微观世界的“火眼金睛”

文 陈和生

散裂中子源究竟是什么？简单来说，散裂中子源就是一种“超级显微镜”，其散射的中子如同“探针”，可以清晰检测物质的内部结构，因此被认为是当今人类深度探索微观世界的有力工具。它广泛应用于新材料研发、关键零部件的性能检测、癌症治疗等热门领域，为材料科学、生命科学、环境科学等基础研究，提供了先进的现代技术平台，对解决前沿科学问题具有重大意义，是当之无愧的“国之重器”。

看透物质结构的“火眼金睛”——中子

如何去研究微观结构呢？我们在中学时可以用显微镜来看花粉、看细胞等。如果还想看更精细的结构，可以用电子显微镜。而要想看到分子结构，就需要用散裂中子源，或者是同步辐射光源，我们把它叫作超级显微镜。什么是同步辐射呢？同步辐射实际上就是非常强的X光，大家在医院做检查用的就是X光，但是同步辐射比它要强百亿倍。用一般的方法是得不到这么强的X光的，所以就要利用大型的加速器，电子的束流在磁场拐弯的时候，会产生非常强的X光，我们把它叫作同步辐射。利用专门的加速器来产生很强的同步辐射，这样就能够研究物质的结构，比如说上海同步辐射光源、北京同步辐射装置、合肥同步辐射装置。

散裂中子源产生中子，打在样品上并产生相互作用以后，它的方向和动量都改变了，用探测仪器把这个样品包起来，看看入射进来的中子经过样品之后的变化，反过来就可以用数学方法反推出它的结构。

中子从哪儿来？自由的中子在正常的状态之下，寿命很短，自然界中自由的中子寿命大概就是20分钟，没有办法利用它。绝大部分的中子都是在原子核里，质子、中子组成原子核，要得到自由的中子，需要从专门的大科学装置来产生。这种装置有两类：一类是反应堆。反应堆的中子源是利用铀-235裂变的时候产生中子，它的问题是产生中子的时候，附带产生很高的热量，这样就会产生一些危险。比如2011年，日本福岛核电站发生的事故。在世界上，现在能够找到核反应堆的地方，越来越困难，从环保的角度，这样类型的反应堆逐渐地淡出了。第二种产生中子的实验设施就是散裂中子源。它是用高能的质子去打靶，产生中子，这样就没有反应堆那样很高的反应热的问题，只要关掉电源，它就停止运行，不会有任何安全问题。所以现在发展的趋势，就是逐步地用散裂中子源来代替反应堆，从事中子散射的研究。

散裂中子源造价高、技术复杂，中子探测起来也非常困难，实验的难度非常高，所以在我们中国的散裂中子源建成之前，全世界只有3台，分别在英国的卢瑟福实验室、美国的橡树岭实验室和日本的原子能机构。经过大约20年的谋划和建设，2018年8月，中国自己的散裂中子源终于在广东东莞“横空出世”，正式投入运行。由此，我国成为世界上第4个拥有这一科技“重器”的国家。

中国散裂中子源“初露锋芒”

近年来，我国建成的上海光源、散裂中子源等大科学装置，在提高自主创新能力方面发挥了重要作用，大大缩小了与发达国家的差距。与此同时，围绕这些大科学装置建成的科学与技术中心，也具有特殊的辐射、示范、引领作用，逐渐构筑起了重要的创新“高地”。但是，打造大科学装置与制造一般的科研仪器设施不同，需要在建设中研制大量的非标准设备，而且规模大、建设周期长、投资巨大，需要汇集大批科学家和工程师，因此，会遇到工程建设与科学研究的双重挑战。

散裂中子源由三大部分构成，包括加速器、重金属的靶、谱仪。其中，所谓谱仪就是实验终端。中国散裂中子源，它的加速器包括两部分，一部分是8000万电子伏特的质子直线加速器，注入快循环同步加速器，跑两万多圈，把它加速到16亿电子伏特，能量提高20倍。然后就去打靶，是一个钨靶，用水冷的钨靶，效率非常高，能够产生非常强又非常短的中子。我们在靶站的周围，建设很多谱仪，把样品放在谱仪的中间，用探测器把它包起来，这样就能够知道，中子打上去以后，发生了什么情况。这个样品就像一张渔网，我们往渔网上扔好多玻璃球，有的球就穿过渔网的间隙走了，有的碰到渔网的结点，它改变了方向。把所有的这些玻璃球的信息都测量出来，经过数学方法，就可以反推出来这张网的结构，这就是中子散射的研究方法。

2017年8月28日，我们首次打靶成功，获得了中子束流，而且中子的能谱，完全符合理论的计算。我们是一次打靶成功，调试的进度远远超过国际上其他散裂中子源。特别可喜的是，我们设备的国产化率超过了90%，美国、日本的散裂中子源，都花费十几亿美元，我们只用了18亿元人民币。2018年8月通过了国家验收，获得非常高的评价：装置的整体设计科学合理，靶站的最高中子效率和3个谱仪性能达到国际先进水平，显著地提升了我国在这个领域的技术水平和创新能力，使得我们国家在强流质子加速器和中子散射领域实现重大跨越，技术和综合性能进入国际同类装置的先进行列。

“国之重器”前途无量

作为一个用户装置，要求稳定高效运行。从2017年以来，我们的打靶功率节节提升，成功地达到了设计功率100千瓦的指标，始终做到稳定运行。目前注册的用户超过了2000人，其中来自粤港澳大湾区的有四分之一，还包括港澳用户55人，国外用户42人，完成课题400多项，其中企业课题达到13%以上。在前沿科学研究和国家发展的一些关键领域，我们已经发表了65篇文章。

新型的能源材料是我们工作的重点。因为新能源的材料，比如储氢材料、锂电池材料，还有燃料电池的核心就是氢、锂和氧，而这3种元素都对中子研究非常有利，又很关键。比如锂电池的研究，只有用中子才能够搞清楚锂电池的锂在什么地方，它怎么运动，我们过去这两年多的工作，锂电池的研究是一个重点，获得了很多成果。

散裂中子源研究所产生出来的新技术，还有一项是硼中子靶向治癌。硼中子靶向治癌，是一种新的精准治疗癌症的二维技术，它是利用中国散裂中子源发展起来的技术所研制的。这种治疗方法，相信会开辟癌症放射治疗一个新的篇章。它最大的优点，就是能够治疗那些弥散的，甚至扩散的癌。我们正在进行动物实验，一年以后将要开展临床试验，完成了临床试验以后，就可以进行临床治疗。这种技术需要的靶向药物，也是目前研究的热点，希望国内做药、研究硼化学的相关人士一起努力，找到效果更好的靶向药物，为人民健康服务。

中国散裂中子源现在还不能满足国内的需求，因为国内的用户增长非常迅速。2018年全世界发表的关于中子散射的文章，13%以上都有中国单位署名。现在我们的束流时间供不应求，2021年春天申请用户的数目是2020年春天的两倍，所以国家发展改革委已经批准了在“十四五”期间，进行散裂中子源的二期工程。二期工程将增建11台谱仪，这样就覆盖了用户的各个领域，同时把束流的功率，从现在的100千瓦提高到500千瓦，总投资30亿元。

由于大科学装置的社会影响和辐射效应，现在国内兴建大科学装置的热情迅速提高，但是盲目上马、低水平重复，会带来很多问题。我们国家现在大科学装置的数量及种类和发达国家已经比较相近了，但是我们装置的实验终端，它的数量和水平、研究工作的水平、科学产出和发达国家相比差距比较大。我们最紧迫的不是动员各个省市都去推动同步辐射、上散裂中子源建设，而是集中力量办大事，集中我们有限的财力物力、集中我们有限的队伍，把我们的大科学装置建好，真正让它达到国际先进水平。必须继续坚持国家统一规划和部署重大科技基础设施的原则，坚持以国家科学技术发展战略需求和用户需求为导向，这是保证我们国家大科学装置持续、健康发展的关键。