作者：羅會仟 中國科學(xué)院物理研究所

近年來，位于廣東東莞大朗鎮(zhèn)的中國散裂中子源，頻頻傳來好消息。自2018年8月中國散裂中子源（CSNS）正式投入運(yùn)行以來，其譜儀終端由最早的3臺，擴(kuò)充到了一期工程的共11臺譜儀。其中8臺用戶譜儀在近幾年陸續(xù)出中子束流，例如：2021年1月的多物理譜儀，2022年4月的大氣中子輻照譜儀，2023年1月的高能直接幾何非彈性中子散射飛行時間譜儀，2024年7月高分辨中子衍射儀和高壓中子衍射儀。2024年3月30日，中國散裂中子源二期工程正式啟動，計劃再建設(shè)9臺譜儀和2個實(shí)驗(yàn)終端。預(yù)計未來的5年里，中國散裂中子源的譜儀還會持續(xù)“上新”，譜儀總數(shù)將增加到20臺，是名副其實(shí)的大國重器。

那么，什么是散裂中子源？它有什么科學(xué)用途？中國散裂中子源的這些譜儀各有什么特色之處？未來我們期待在散裂中子源上有什么科學(xué)發(fā)現(xiàn)？今天我們一起走進(jìn)中國散裂中子源，認(rèn)識中子散射技術(shù)、中子譜儀及其重要的科學(xué)應(yīng)用。

我們?nèi)绾翁綔y物質(zhì)的微觀世界？一般來說，需要借助探測媒介作為我們的“微觀透視眼”，比如打入一束光或一束粒子，然后分析出射的光或粒子，并與入射前對比，研究其能量、動量和成分的變化，就可以推斷出物質(zhì)中的元素組成、材料結(jié)構(gòu)和內(nèi)部各種相互作用等。中子就是一種非常強(qiáng)大的探測媒介，因?yàn)橹凶硬粠щ?，所以它不會與其他粒子發(fā)生庫侖相互作用，這使得它的穿透能力極強(qiáng)。一束高能量的中子甚至可以穿透幾米厚的普通水泥墻。對于非磁性材料，中子可以無視原子中的電子，而直達(dá)原子核發(fā)生相互作用。對于磁性材料，中子除了與原子核相互作用之外，還有另一種磁性相互作用。這是因?yàn)橹凶泳哂写啪?，就像一個小磁針一樣，還會與原子的磁矩或電子的自旋發(fā)生相互作用。因?yàn)橹凶淤|(zhì)量與質(zhì)子非常接近，所以往往原子核越小，它們之間的核散射作用反而越強(qiáng)。具體看同位素的原子核組成，它對中子的散射效應(yīng)千差萬別，意味著中子可以作為具有同位素選擇特性的探測手段。


利用中子散射研究材料結(jié)構(gòu)

簡單來說，中子散射就是將一束中子入射到物體內(nèi)部，分析出射中子的能量和動量變化，進(jìn)而獲取物體內(nèi)部各種微觀信息。如果前后中子束的能量沒有變化，我們稱之為 “彈性中子散射”或“中子衍射”，就像中子打到了微觀原子組成的各種復(fù)雜的“鏡面”一樣，通過測量中子反射的角度就能獲取鏡面的具體結(jié)構(gòu)，也就是材料內(nèi)部原子的排布方式。如果前后中子束的能量發(fā)生了變化，我們稱之為“非彈性中子散射”，這意味著中子與物質(zhì)內(nèi)部粒子發(fā)生了能量交換，這個前后能量差基本上等于物質(zhì)內(nèi)部相互作用的能量。所以說，中子散射是獲取材料內(nèi)部信息的一種非常直接的手段，特別是在確定材料內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)和磁激發(fā)譜定量研究方面，中子散射技術(shù)是目前唯一的手段！

利用中子照相研究植物根系水分輸運(yùn)

中子除了用于散射技術(shù)，還可以借助其強(qiáng)大的“透視”能力來給復(fù)雜結(jié)構(gòu)的物體拍照，這要比普通伽馬射線或X光強(qiáng)大許多，而且是非破壞性的。例如研究復(fù)雜機(jī)械的內(nèi)部構(gòu)造、電池中電解液的變化、植物中水分的輸運(yùn)、文物中隱藏的機(jī)關(guān)和化石中各種孔隙等。還有結(jié)合中子照相和彈性散射技術(shù)，可以分析高鐵車輪中的殘余應(yīng)力，為其安全服役提供保障。此外，中子可以用于輻照活化，讓物質(zhì)中部分元素“激活”成為放射性核素，從而具有特定的標(biāo)記功能。例如利用硼元素等對中子強(qiáng)烈吸收的特點(diǎn)，可以把硼植入到癌癥病灶，通過俘獲中子后產(chǎn)生局域的放射性來殺死癌細(xì)胞，并保留病灶外的正常細(xì)胞，這是一種非常有效的癌癥治療方案。

中子作為探針雖然強(qiáng)大，但要利用它首先需要產(chǎn)生中子的裝置，那就是中子源。常見的中子源包括放射性核素、核反應(yīng)堆和散裂中子源。目前國際上的發(fā)展趨勢是以散裂中子源為主，其基本原理是將一束質(zhì)子加速到GeV的高能量，然后去轟擊重金屬靶，這樣原子核就會因此發(fā)生“爆裂”并釋放出“散亂”的中子，這就是“散裂”一詞的由來。打靶產(chǎn)生的中子能量依舊很高，需要借助液氫慢化器等方案讓其進(jìn)一步慢下來，即調(diào)整其能量到合適窗口，既可以輕松穿透樣品，又能與樣品內(nèi)部粒子發(fā)生相互作用。所以，散裂中子源的通常特點(diǎn)就是圍繞靶站一圈會有不同的中子導(dǎo)管將其引出來，再到不同的譜儀實(shí)驗(yàn)站。由于譜儀功能各異，每個譜儀的外形構(gòu)造也不一樣，在散裂中子源你能看到形形色色的“大家伙”。


散列中子源示意圖

目前世界上正在運(yùn)行的散裂中子源一共有5個：英國散裂中子源ISIS、瑞士散裂中子源SINQ、美國散裂中子源SNS、日本散裂中子源J-PARC、中國散裂中子源CSNS，另外還有即將建設(shè)完成的歐洲散裂中子源ESS。中國散裂中子源一期建設(shè)的功率指標(biāo)盡管只有100 kW，二期工程將逐步升級到500 kW，在考慮其脈沖時間的情況下，束流強(qiáng)度將于日本散裂中子源相當(dāng)，處于國際領(lǐng)先水平。

中國散裂中子源靶站

中國散裂中子源最早建設(shè)的三臺譜儀是：用于分析材料晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)的通用粉末衍射譜儀，用于研究薄膜物性的反射譜儀，用于研究大分子和介觀結(jié)構(gòu)的小角散射譜儀。近些年啟用的用戶譜儀典型代表有：用于研究不同有序度材料的多物理譜儀，用于多種材料的中子輻照試驗(yàn)的大氣中子輻照譜儀，用于研究材料內(nèi)部原子振動和磁激發(fā)的高能非彈散射譜儀，用于在高壓環(huán)境下研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的高壓中子衍射儀，以及高分辨中子衍射儀、工程材料譜儀、微小角譜儀、能量分辨中子成像儀等等。2024年之后進(jìn)入二期建設(shè)階段，中國散裂中子源將進(jìn)一步建設(shè)液體中子反射儀、逆幾何化學(xué)振動譜儀、背散射譜儀、漫散射譜儀，以及多臺非彈散射譜儀等9臺新的譜儀實(shí)驗(yàn)站，以及建設(shè)高能質(zhì)子束實(shí)驗(yàn)終端以及實(shí)驗(yàn)繆子源終端。這些譜儀覆蓋的能量和動量范圍各不相同，所以功能也千差萬別。開展中子散射實(shí)驗(yàn)最重要的第一步，就是要根據(jù)測量對象選擇合適的譜儀。

未來，我們期待在中國散裂中子源可以發(fā)現(xiàn)新型的量子材料或量子現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的材料或磁性結(jié)構(gòu)分析，為大國重器提供更強(qiáng)有力的科學(xué)保障，在中子技術(shù)方面有更多的新突破！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：羅會仟

審核：姬揚(yáng) 浙江大學(xué)物理學(xué)院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

內(nèi)容資源由項(xiàng)目單位提供