小粒子成就大世界

1998年6月，德国一列高速列车意外出轨，导致101名乘客死亡。经调查，事故元凶竟然是老化的车轮。

事实上，无论是高铁的轮轨，还是飞机的涡轮、机翼里面都有应力，它决定了高铁和飞机使用寿命和安全性。但是，这个应力看不到、摸不着，我们怎样把它研究清楚，成了从根本上避免类似的灾难发生的关键。

科学家们发现，有一种先进的研究平台可以帮助我们测量大型部件的应力和应变——它就是中子散射。德国高铁的车轮被送到英国散裂中子源用中子散射研究，找到了金属疲劳的规律，制定了保证车轮安全的技术措施。

中子，微观世界的理想探针

作为组成原子核的基本粒子之一，中子以其不带电、具有磁矩、穿透性强，具有非破坏性等特质，成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一。那么科学家究竟是如何利用中子探究微观世界的呢？

想象一下，在你的面前有一张看不见的网，然后让你不断地扔出很多玻璃弹珠，弹珠有的穿网而过，有的则打在网上，弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来，你就能大致推测出网的形状；如果弹珠发得够多、够密、够强，把这张网精确地描绘出来，甚至推断其材质，就不是什么难事。

这里的玻璃弹珠就相当于中子，它打到网上向各个方向散开来，就是“中子散射”过程。

科学家正是通过测量散射出来的中子能量和方向的变化和关联，在原子、分子尺度上研究物质的微观结构和运动规律。

散裂中子源，物质微观结构的科研利器

在我们的生活中，自由中子无处不在。但是，由于衰变，自由中子十分不稳定，平均寿命不到15分钟，无法直接被用来探测材料的微观结构。如何获得高性能的中子？一种叫做“散裂中子源”的大科学装置应运而生。

我国正在建设的散裂中子源装置位于广东省东莞市大朗镇，建成后将成为全世界第四台脉冲式散裂中子源。它由一台负氢离子直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站、一期三台中子谱仪（设计容量二十条谱仪）及相应的配套设施组成。

整个装置建在13米到18米的地下。其中直线加速器隧道长240米，环形加速器周长228米。在它的源头，负氢离子产生后，在直线加速器里加速，经过剥离膜“剥”掉电子，转化成质子；质子束注入到环形加速器并积累到足够流强后，再继续加速到更高能量，然后从环形加速器引出去打金属靶，金属原子核在高能质子的轰击下发生散裂反应，释放出中子；一个质子在打靶后大概可以“撞”出20到30个中子。

中国散裂中子源园区航拍图（2017年2月）

直线加速器

快循环同步加速器

靶心

这个反应瞬间产生的中子束流脉冲非常短又非常强，要经过慢化器降到预期的能量范围后，通过中子导管打到实验样品的原子核，环绕样品的中子谱仪则记录碰撞后中子的运动轨迹和动量分布。

中子散射在我国的基础科学研究、应用基础科学研究和工程技术等诸多领域有着广泛的应用前景，对解决国家可持续性发展和国家安全的战略需求的许多瓶颈问题具有重要意义。例如中国散裂中子源在材料工程技术（如大型工程材料无损检测、应力等）、清洁能源材料（如锂离子电池材料、氢能源材料和燃料电池材料等）和生物医学的研发方面具有不可替代的作用，将填补我国脉冲式散裂中子源技术和应用领域的空白。

东莞分部 中科院高能所（casihep）

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