洞悉微观物质的顶级探针

若饴

分裂的癌细胞被针对性地消灭，却不损伤正常细胞？埃博拉、非典、新冠等传染性极强病毒将被短期治愈？或许这一天终将到来，而令其到来的变量就是“散裂中子源”。

在科学技术催生社会变革的当下，2021年1月26日，是一個值得国人铭记的日子。这一天，由中国科学院高能物理研究所东莞分部研发的“中国散裂中子源多物理谱仪”成功出束，标志着中国成为继美、英、日之后世界上第四个拥有散裂中子源的国家。多数民众不了解散裂中子源为何物，对其科研突破的重大意义更一知半解。下面就从散裂中子源的研发原理谈起。

单从字面理解，散裂中子源，可分拆为两个维度来理解：一是散裂反应，二是挖掘中子源。所谓“散裂反应”，是一种化学反应，通俗而言是高能粒子与原子核的作用过程。我们知道，所有物质均由原子组成。一个原子有一个由质子和中子组成并且被零或者多个电子环绕的核心。其中，原子核位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成。散裂反应就是通过外加的高能粒子冲击原子核产生的化学反应。

此种化学反应的目的之一便是将中子从原子核中释放出来，要么与其他质子形成新原子核，要么被提炼出来作为测试用具。比如，较早启动散裂中子科研的德国。1998年的德国高铁事故之后，科学家利用中子散射装置，将整个车轮放置在探测器中间，依托分析中子布局，最终发现车轮老化系造成事故的原因。又比如，已经具备散裂中子源应用能力的英国——科学家把整个飞机机翼吊装到散裂中子源仪器的测量部位，直接观察在什么加工工艺下，机翼的各个部分结构能得到最优化的性能。

一般而言，产生中子有两种方式：一种是威力巨大的“核反应堆”。利用铀235通过核裂变反应产生中子，但该方式的安全风险极大。因此，第二种产生中子的装置“散裂中子源”应运而生。当然，目前的散裂中子源还停留在解构微观世界的层面，并未抵达形成新原子核的阶段。纵观全球的科学技术发展进程，在尚未产生科学之前，人类是用肉眼去观察和理解宏观世界的。在人类观察微观世界的过程中，历经了“光学显微镜”“电子显微镜”，如今迎来了依托散裂中子源形成的脉冲式显微镜。

实然，脉冲式显微镜依托的散裂中子源有四个核心步骤。一是高能质子轰击重金属靶;二是金属原子产生散裂反应;三是散裂反应释放出中子;四是收集释放出的中子，用于探测被检物体的微观结构。这也解构了散裂中子源看穿微观世界的基本原理。散裂中子源的优点在于加速质子使用的是高压电场。只要切断电源，质子就会立即停止轰击金属靶，不会有任何放射性污染且可控。因此，散裂中子源堪称最安全的产生中子的方式。

如果说人工智能深入社会生活的方方面面是显性的，距离我们越来越近，那么散裂中子源应用于我们的社会生活则是隐性的，其广度和深度绝不亚于人工智能，甚至影响的深远性将远超AI技术。正如中国科学院高能物理研究所研究员、国家重点研发计划首席科学家童欣教授所言，“散裂中子源好比一台超级显微镜，能在不对物质造成破坏的前提下看穿材料的微观结构”。

日本早在20世纪初就开始研究硼中子对抗分裂癌细胞的方法。2020年3月，世界上第一台加速器BNCT设备和硼药物正式获得了日本厚生劳动省的批准，并应用于患者。这是硼中子俘获疗法在世界上首次正式进入临床应用。在对抗癌症的散裂中子源研究方面，日本无疑走在了世界的前列。至今，全世界基于反应堆的硼中子俘获治疗临床试验已经有1400多例。

值得欣喜的是，中国亦不甘人后。2020年8月，中国科学院高能物理研究所东莞分部成功研制了加速器硼中子俘获治疗实验装置，为肿瘤治疗带来了技术性革新的曙光。其原理是通过直线加速器，快速产生强流质子束，进而集中打靶，短时间产生中子，再经过慢化为超级中子“硼-10同位素”，达到治疗需要的中子能量，形成中子束照射病灶，达到杀灭癌细胞的功效。形象地说，就是癌细胞会吸收硼-10同位素，那么中子束就会集中攻击吸收了硼-10同位素的癌细胞，起到精准打击的高效作用，只“杀死”癌细胞不损伤周围细胞。

这一切要归功于我国已经认识到散裂中子源在未来科技应用领域的重要性和非凡价值。早在2007年，中央就决定将散裂中子源科研工程落户广东省东莞市松山湖。2011年，硬件设施基本竣工，并对外开放，设置了中国散裂中子源工程的官网（http：//csns.ihep.cas.cn/）。2018年，该工程经国家验收正式投入运行。位于松山湖的中国散裂中子源，是“十三五”时期我国建成的重大基础科学装置，总投资约人民币23亿元，是我国迄今为止单项投资规模最大的科学工程。截至2021年6月，中国散裂中子源的注册用户逾2000人，完成了来自全球众多高等院校、科研院所及企业的课题超过500项，覆盖了新型储氢材料、锂电子电池、新型超导材料、高强钢、太阳能电池薄膜等众多应用领域，并取得了重要成果。

之后，我国的脉冲式散裂中子源的运行束流功率历经2018年9月的20kW、2019年1月的50kW、2019年10月的80kW，直至目前束流功率达到了100kW的设计指标。当然，相较于前面三个先行者而言，我们也存在需要追赶的领域。比如，运行束流转功率方面。日本的1mW、美国的500 kW、英国的240 kW均比中国的100kW快得多。

如前文所述，要论应用领域的广度和深度，散裂中子源绝对可以比肩人工智能技术。散裂中子源在材料科技、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景，能够为产生高水平的科研成果提供有力支撑，并为解决国家发展战略需求的许多瓶颈问题提供非常先进的平台。散裂中子源的用处诸多，因此世界上发达国家都在建设散裂中子源上不遗余力。

目前，美国、英国、日本、中国均已经建成了脉冲型的散裂中子源装置。四国都十分重视散裂中子源装置在材料科技领域的应用。由于散裂中子源对于人工放射性同位素、中子活化分析、半导体器材、辐照加工等领域的突破发展具有重要意义，因此堪称“材料内伤的显微镜”。

中国的散裂中子源装置主要包括中子通用粉末衍射谱仪、多功能反射仪、小角中子散射仪等。以实验需求十分旺盛的“中子通用粉末衍射谱仪”（GPPD）为例，它就是一台超级CT机。不同的是，前者适用的对象是材料在分子、原子尺度上的微观结构。中子通用粉末衍射谱仪可以通过记录中子射入一种特定物质前后的轨迹特征，从而弄清其物质结构。目前，中子通用粉末衍射谱仪主要用于研究物体的晶体结构和磁结构，以满足大多数来自材料科学、纳米科学、凝聚态物理和化学等众多领域的科学研究和工业应用的需求。这样既可节省科研经费，又可缩短研究周期。

诚如中国科学院物理研究所研究员、GPPD系统负责人何伦华所说，“当前，新材料成为我国建设科技强国的重要突破口之一。常规方法研制新材料周期长、风险大且成功率低。中子通用粉末衍射谱仪可以帮助科研人员看清新材料的内部结构”。在未来，散裂中子源还可以协助考古人员对文物进行无损研究，通过散裂中子源，利用中子成像技术，看清文物的碳氢化合物构成，进而更易测算出文物的实际年龄。

毫无疑问，散裂中子源的深度科研，将打开人类对于微观世界认识的新窗口，开启人类构建微观世界的新纪元！

编辑：黄灵  yeshzhwu@foxmail.com

散裂中子源中国实验基地