微观世界的“探针”
2022-04-04夏风
夏风
人类肉眼无法直接观察微观世界，所以人们需要借助各种设备来看清物质的结构。观察细胞，可以用光学显微镜；观察病毒，可以用电子显微镜；而观察更小的微观结构，可以用散裂中子源。
散裂中子源是什么
散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置。其原理是把质子加速到一定的能量，然后把质子束当成“子弹”，去轰击原子系数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子，特殊的装置将这些中子“收集”起来后，就可以开展各种实验了。
中子源有很多种，根据不同的产生方法，可分为放射性同位素中子源、自发裂变中子源、加速器中子源、反应堆中子源和散裂中子源。高通量的中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。反应堆中子源是一种稳定而连续的中子源，不过反应堆散热技术存在一定的限制和较大的危险，随着科技的进步和研究材料的不断更新，散裂中子源应运而生。
中子散射是一种强有力的探测手段。由于中子和光一样具有波粒二象性，既有波的性质—可以反射、折射、衍射、吸收，又有粒子的性质—可以弹射、散射等，因此，中子能更轻松地穿透研究物体。将中子束打到研究物体上，部分中子会与物体的原子核发生相互作用，其运动方向也会发生改变，通过分析中子散射的轨迹、中子和物质发生作用时能量和动量的变化，人们就可以反推研究物体的结构。
全球建成的散裂中子源装置共4个，分别是英国散裂中子源（ISIS）、美国散裂中子源（SNS）、日本散裂中子源（J-PARC）、中国散裂中子源（CSNS）。正在建设中的还有欧洲散裂中子源（ESS）。
散裂中子源的用途
散裂中子源是探测微观世界的理想“探针”，可广泛应用于探测研究航天航空部件、核电站部件、生命科学材料、量子材料、磁性材料、超导材料、新型储氢材料、锂离子电池、可燃冰、高性能金属玻璃，等等。散裂中子源可为解决新能源、新材料等诸多领域的微观机理及关键技术应用难点提供强有力的支持。
电池是制约电动汽车发展的关键技术之一，散裂中子源可以用来研究如何让锂电池容量更大、充电更快、使用更安全。比如，将锂电池连同原位充放电设备放入中子散射谱仪内，实时原位测量在几百次充放电的过程中锂电池各个部分微观结构和性能的变化，就能精确定位锂电池的结构缺陷，从而为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。
残余应力是消除外力或不均匀的温度场等作用后，仍留在物體内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力，如冷拉、弯曲、滚压、铸造、焊接和金属热处理等。残余应力一般是有害的，会引起零件发生翘曲或扭曲变形，甚至开裂。可是，残余应力的存在有时不会立即表现为缺陷，而是在零件因工作应力与残余应力的叠加导致总应力超过强度极限时，才会出现裂纹和断裂。1998年6月，德国一辆城际快车意外出轨，伤亡惨重。最终调查发现，事故的元凶竟然是老化的车轮（常规检查中，并未发现车轮存在安全风险），而发现这个元凶的就是英国散裂中子源。
残余应力看不到、摸不着，对它的研究成了避免灾难发生的关键。科研人员可以通过散裂中子源去探测材料的内部结构，寻找材料内部潜在的微观缺陷，研究材料的应力。这对人们后期优化机械加工工艺，提高材料的疲劳强度和耐磨性能，增加材料使用的安全性，有着十分重要的作用。
另外，散裂中子源在生物工程和医药领域也发挥着重要作用，比如用于肿瘤的放射性治疗研究，这已在许多发达国家得到应用。
中国散裂中子源（CSNS） 坐落于广东省东莞市大朗镇，是我中国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源，填补了国内脉冲中子应用领域的空白。整个装置主要由一台8000万电子伏特负氢离子直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站，以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪组成。2011年10月，项目在广东东莞奠基。经过6年多的紧张建设，2018年8月23日，CSNS顺利通过国家验收，之后正式对全球用户开放。
英国散裂中子源（ISIS） 属卢瑟福·阿普尔顿实验室RAL（Rutherford Appleton Laboratory），RAL由多个实验室合并而成，是国际著名的大型核物理、同步辐射光源、散裂中子源、空间科学、粒子天体物理、信息技术、大功率激光、多学科应用研究中心。1985年10月，RAL建成了世界上亮度最高的散裂中子源ISIS，它也是国际凝聚态物质研究方面的主要力量。
ISIS有两个靶站，因升级改造需要，目前ISIS处于停工状态。二期相关设施的管理与建设正在进行中，这些设施将在2040年前投入使用。
美国散裂中子源（SNS） 是以加速器为基础的中子源，耗资14亿多美元，于2006年6月竣工。SNS的中央实验室和办公大楼目前每年接待几百名世界各国的研究人员，与中央实验室和办公大楼相连的一座单独建筑是纳米相材料科学中心。SNS的设计留有余地，便于建造第二个靶装置建筑，以使总的实验能力提高一倍。SNS的金属靶不是钽靶或钨靶，而是液体水银靶，SNS是第一个采用水银作为质子束流靶的科学装置。
欧洲散裂中子源（ESS）一所正在建设中的跨领域科研机构，由13个欧盟国家共同出资建设和运营。ESS的实验设施定址于瑞典隆德，而数据管理位于丹麦哥本哈根。
建成后的ESS将是世界上通量最高的脉冲型散裂中子源和最先进的粒子物理实验室之一，将为进一步研究原子核结构提供更加完善的工具。ESS靶体的核心材料和中国散裂中子源的一样—都是钨，其钨靶体材料重达11吨。运行时的钨靶体温度将达到几百摄氏度，不过，这些散裂过程产生的热将被回收并用于当地居民的加热设施改造。
