什么是中子？

　　中子由查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)，是組成物質(zhì)的基本粒子之一，不帶電，因此被稱(chēng)為中子。 

　　原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成

　　在宇宙中，中子含量非常豐富，幾乎占了所有可見(jiàn)物質(zhì)的一半。但對(duì)于物理和生物材料領(lǐng)域的研究來(lái)說(shuō)，缺少一種足夠亮度的中子源。正如我們希望能夠在黑暗中有一盞明燈，照亮閱讀中的書(shū)籍那樣，科學(xué)家們也渴求有一種強(qiáng)亮度的中子源，能夠“拍攝”到材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，跟蹤正在運(yùn)動(dòng)中的原子和分子的行為。散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生，它能夠產(chǎn)生高亮度的中子流，其中子數(shù)量將超過(guò)每秒每平方厘米1億億個(gè)。如同閃光燈那強(qiáng)烈的一閃，之后物體的影像就被探測(cè)器捕捉到了。中子束流打到被觀(guān)測(cè)的物體上，向各個(gè)方向散射開(kāi)來(lái)，就好像公園噴泉中的水噴到巖石上發(fā)生濺射一樣?？茖W(xué)家們就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀(guān)測(cè)物體的微觀(guān)特征。

　　本圖為利用中子散射技術(shù)觀(guān)測(cè)到的含有鋅離子的兩個(gè)胰島素分子結(jié)構(gòu)。為便于中子衍射研究，需將胰島素分子晶體化。在 其晶體化過(guò)程中，胰島素分子吸附鋅離子（圖中的白色小球）。

　　本圖為在美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)脈沖中子源上開(kāi)展的利用中子散射研究某個(gè)樣品的結(jié)果。該樣品顯示肽（圓柱體）在細(xì)胞膜中形成孔并將自身嵌入其中。

什么是中子源？

　　要用中子做探針，必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉?。最早使用的是放射性同位素中子源，但?qiáng)度較低，壽命有限。20世紀(jì)用于中子核物理研究的主要中子源，是用低能粒子加速器產(chǎn)生的帶電粒子束轟擊靶而產(chǎn)生的中子，其能量單一、脈沖性好，但中子產(chǎn)生效率較低。反應(yīng)堆中子源中子通量高，應(yīng)用最為廣泛，但由于反應(yīng)堆散熱技術(shù)的限制，使其最大中子通量受到限制。

　　散裂中子源的出現(xiàn)則突破了反應(yīng)堆中子源中子通量的極限。

　　當(dāng)高能量粒子如高能質(zhì)子轟擊重原子核時(shí)，一些中子被“剝離”，或被轟擊出來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為散裂。與裂變反應(yīng)相比，散裂反應(yīng)釋放的能量較低，但它可以將一個(gè)原子核打成幾塊，這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生中子、質(zhì)子、介子、中微子等，有利于開(kāi)展核物理前沿課題研究和應(yīng)用研究，且次生中子還會(huì)與臨近的靶核作用而產(chǎn)生中子——即核外級(jí)聯(lián)。一個(gè)質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20到30個(gè)中子，這是散裂中子源的基本條件。

　　上世紀(jì)80年代起，由質(zhì)子加速器驅(qū)動(dòng)的散裂中子源，逐漸進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。其原理比較簡(jiǎn)單，用高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器，產(chǎn)生1 GeV左右的質(zhì)子轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中產(chǎn)生散裂反應(yīng)。散裂中子源的特點(diǎn)是在比較小的體積內(nèi)可產(chǎn)生比較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴(kuò)展了中子科學(xué)研究的范圍。表1給出了三種典型中子源的特點(diǎn)比較。

什么是散裂中子源？

　　當(dāng)一個(gè)高能質(zhì)子，打到重原子核上時(shí)，一些中子被轟擊出來(lái)，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為散裂反應(yīng)。被轟擊的原子核溫度升高，更多的中子就會(huì)“沸騰”起來(lái)并脫離原子核的束縛。如果將一個(gè)壘球用力投到裝滿(mǎn)球的筐中，有一些球會(huì)立刻蹦出來(lái)，而更多的球則會(huì)彈跳并翻出筐外，散裂反應(yīng)與這個(gè)過(guò)程很相似。每個(gè)與原子核相作用的質(zhì)子能夠轟擊出20到30個(gè)中子。 

　　從上世紀(jì)80年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的、基于先進(jìn)加速器技術(shù)的散裂中子源是目前世界上最先進(jìn)的中子源。其基本原理是用高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生能量在1GeV以上的質(zhì)子束轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中發(fā)生散裂反應(yīng)，產(chǎn)生大量的中子。

　　散裂中子源與反應(yīng)堆中子源各具特色，是相互補(bǔ)充的研究手段。我國(guó)在反應(yīng)堆中子散射研究中已有較深厚的基礎(chǔ)，可為進(jìn)一步發(fā)展散裂中子源先進(jìn)技術(shù)提供有力支持。散裂中子源的特點(diǎn)是在較小的體積內(nèi)可產(chǎn)生較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴(kuò)展了中子科學(xué)研究的范圍；它具有高脈沖通量和優(yōu)越的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)，低本底，且不使用核燃料，只產(chǎn)生極少量活化產(chǎn)物等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

　　近年來(lái)，隨著強(qiáng)流加速器技術(shù)的發(fā)展，百千瓦到兆瓦級(jí)束流功率的散裂中子源成為國(guó)際公認(rèn)的新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)識(shí)到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要地位，把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措，相繼斥巨資建設(shè)新一代的散裂中子源。

　　中國(guó)散裂中子源工程將于2011年秋動(dòng)工，第一期設(shè)計(jì)束流功率為100Kw，脈沖重復(fù)頻率為25Hz，它主要由一臺(tái)80MeV負(fù)氫直線(xiàn)加速器、一臺(tái)1.6GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器及其前后兩條束流傳輸線(xiàn)、一個(gè)靶站和三臺(tái)中子譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施組成。作為發(fā)展中國(guó)家的第一臺(tái)散裂中子源，其建成后將進(jìn)入世界四大散裂中子源的行列，大幅提升我國(guó)基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平，縮短我國(guó)與世界前沿30年的差距。