英国卢瑟福·阿普尔顿实验室RAL的散裂中子源装置ISIS
 

中子的发现及其应用是20世纪最重要的科技成就之一，中子诱发核裂变的发现导致了核武器和核能源的开发。通俗而言，中子和人们熟知的X射线一样，是探索物质微观结构的探针。它们就像眼睛的延伸，去探索人类用肉眼所难见的奇妙复杂的物质微观世界。X射线能“拍摄”人体的医学影像，而在材料学、化学、生命科学、医药等领域，科学家们更希望有一种高亮度的“中子源”，能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。

中子“功效”与生活息息相关

中子研究的价值将具体体现在什么地方？对此，中国科学院院士陈和生表示，中子散射技术已在很多基础学科，如化学、生物工程、生命科学、材料科学等多学科领域的研究中被广泛采用，中子生产的人工放射性同位素、中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照加工等产品，已被广泛应用于医疗和工业，并产生了巨大的经济效益。

他举了一个例子：“研究预计，全世界海底可燃冰可供全人类使用3000年，而高压、低温下中子散射实验可研究可燃冰性能及形成机制，可燃冰的开发利用也可能成为中国一种新型清洁能源，根据国家发改委相关的研究报告，中国未来10年将投入8亿元用于可燃冰的勘探研究，基于散裂中子源高压下的中子衍射技术，将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。”

值得关注的是，对于中子的利用，更是与我们的生活息息相关：

中子散射是了解油脂和乳剂（如冰激凌）之类油水化合物基本化学结构的关键；利用中子可研究骨骼在发育过程中是怎样钙化的，帮助医生制定可行的治疗计划；我们常用的录音带、录像带、CD和计算机盘等磁学物件，中子是获取相关材料磁性特征的关键渠道；中子散射实验为工业界选择磁铁的最佳材料和加工工艺指引方向，由此我们得以利用永久磁铁制造出很小的马达，在汽车内自动调节座椅，打开窗户；DNA分子决定了蛋白质的合成，中子散射可获得DNA的形状和结构，可广泛用于医治癌症或艾滋病之类的重症，同时为药物遴选、改性等提供依据，加快新药研制进程；中子衍射技术可研究二氧化碳等温室气体的水合物的形成和稳定条件，为温室气体的深海掩埋的可能性提供科学依据；利用中子可以看到复杂的分子流体（如洗发液、油漆、润滑剂等）在加上一个方向的力以后（例如在头发里揉开洗发液）是如何变化的，如洗发时，洗发液必须粘稠到足以停留在手里，但又要稀释到易于散布在头发里……

利用中子有这么多的好处，那如何去得到和控制中子？这就需要有一个适当的中子源。产生中子束的散裂中子源也由此应运而生。散裂中子源是当下研究物质结构的最重要的科学装置之一，建造高性能的散裂中子源，早已成为当今发达国家提升科技创新能力的重要手段。

散裂中子源国际“竞技场”

目前世界上只有英国、美国和日本三个国家拥有脉冲散裂中子源。从上世纪80年代建成一直到2007年，英国卢瑟福实验室的ISIS一直是世界上亮度最高的散裂中子源。在英国之后，到上世纪90年代，美、日等发达国家开始认识到能提供更高中子通量和更高中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位，相继提出建设束流功率为兆瓦量级的散裂源，它们能产生比反应堆高上百倍的有效中子通量。

而兆瓦级的多用途脉冲散裂中子源正是当前世界上中子源的发展趋势，它不但为物理、化学、生物、材料等基础研究课题提供中子散射的大科学平台服务，还成为了核物理、天体物理、核医学、核化学、能源工业和国防建设的大科学平台。

2011年10月，中国散裂中子源(CSNS)在广东省东莞市奠基建设，预计2017年建成。这也是中国目前单项投资规模最大的国家重大科技基础设施（总投资约为17亿元）。陈和生介绍说，中国建成这一科研利器，将成为发展中国家的第一台散裂中子源，从而跻身世界四大脉冲散裂中子源行列，大幅提升中国基础研究和高技术的水平，缩短中国核物理基础研究与世界前沿30年的差距，也将促进我国在重要前沿研究领域实现新突破。

2014年4月，CSNS相关负责人表示，CSNS的建设已取得了阶段性的成果，CSNS团队克服了基建的重重困难，目前已完成了大部分加速器、靶站和谱仪的样机预制研究工作，开始批量生产，并陆续进行工艺设备的安装与调试。

而关于散裂中子源建设的一个最新消息是，2014年7月下旬，瑞典核能监管局有条件同意在瑞典隆德市建设欧洲核散裂中子源的相关设施，据报道，该研究设施将是世界上最强大的中子源，其开工时间将在未来的数月之内，工程预计在2018～2019年完工，已有13个欧洲国家同意以提供资金和实物支持的方式加入该项目，解决项目预算方面的问题，据估计，工程总计大约耗资18亿欧元。（据中国科学院网相关资料综合整理报道）

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趣说中子研究

宇宙中，中子含量十分丰富，几乎占到可见物质的一半，是原子核的重要组成部分。1932年，英国实验物理学家查德威克证实了中子的存在。

关于中子的感知，可以想象一下，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。

经过研究，科学家找到了这种“玻璃弹珠”——中子。在中子面前，原子搭建起来的物质结构，就好像一张立体大网。科学家打出一串串中子，通过测量被“原子立体网”散射出来的中子能量和动量的变化，就能获取在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律，这就是中子散射。通过中子散射，我们就可以知道原子、分子在哪里，原子、分子又在做什么，由此了解我们可能没有意识到、却与我们密不可分的微观世界。

而散裂中子源就是制造出科学家所需要的这种中子“玻璃弹珠”的大科学装置。

散裂中子源的工作原理是散裂反应。关于散裂反应，打个比方，重原子核就像一个装满网球的桶（里面差不多一半是质子，一半是中子），然后把另一个网球用力投入桶中，桶里的一些球就会立刻蹦出筐外，而更多的球会弹跳并翻出筐外。每个与原子核作用的质子能轰出20～30个中子。这个重原子核因被击或被“挤”而“剥离”出中子的过程，就是散裂反应。