中國(guó)散裂中子源園區(qū)航拍圖。

　　1998年的6月，德國(guó)一輛以時(shí)速約200公里運(yùn)行的城際快車(chē)意外出軌，導(dǎo)致101名乘客死亡，88人重傷。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，意外的元兇是老化的車(chē)輪和因材料疲勞所產(chǎn)生的裂紋。其實(shí)，無(wú)論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼等，里面都有應(yīng)力——它看不見(jiàn)摸不著，但它決定了飛機(jī)、高鐵等大部件的安全甚至壽命。如何把它研究清楚，成了從根本上避免類(lèi)似災(zāi)難再次發(fā)生的關(guān)鍵。

　　科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種先進(jìn)的科技平臺(tái)可以幫助他們測(cè)量大部件內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變——那就是散裂中子源。其中，中子作為組成原子核的基本粒子之一，中子不帶電且有磁矩、穿透性強(qiáng)、非破壞性等特質(zhì)。它不僅在應(yīng)力測(cè)量方面有突出表現(xiàn)，還是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想“探針”之一。

　　散裂中子源（spallation neutron source）提供中子，為眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究提供了一種先進(jìn)的研究工具。正在建設(shè)的中國(guó)散裂中子源（China Spallation Neutron Source—CSNS），位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，建成后將成為全世界第四臺(tái)脈沖式散裂中子源。今年9月，中國(guó)散裂中子源將輸出第一束實(shí)驗(yàn)中子束，邁出這項(xiàng)重大科學(xué)裝置運(yùn)作的標(biāo)志性一步。

　　1 看穿材料微觀結(jié)構(gòu)的“超級(jí)顯微鏡”

　　X射線(xiàn)能“拍攝”人體的醫(yī)學(xué)影像。而在材料學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，科學(xué)家們一直希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線(xiàn)一樣拍攝材料的微觀結(jié)構(gòu)。在科學(xué)家眼中，散裂中子源就是一臺(tái)這樣的超級(jí)顯微鏡，通過(guò)和樣品發(fā)生相互作用，研究樣品的“DNA”，即晶體材料、聚合物等微觀結(jié)構(gòu)。

　　“假如你前面有一張很大的網(wǎng)，又想知道這個(gè)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，你可以?huà)伋龊芏鄠€(gè)彈珠，有的彈珠會(huì)穿過(guò)這個(gè)網(wǎng)的孔，有的彈珠和網(wǎng)（線(xiàn)）發(fā)生碰撞后，會(huì)飛向不同方向。如果能夠把所有彈珠的軌跡都測(cè)量清楚，通過(guò)計(jì)算，便可以反推出網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的陳和生院士在中科院制作的科普視頻中如此通俗地比喻。

　　這個(gè)彈珠，相當(dāng)于中子。它打到網(wǎng)上向各個(gè)方向散開(kāi)，即中子散射過(guò)程。網(wǎng)，則是大家希望研究的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家正是通過(guò)測(cè)量散射出來(lái)的中子能量和動(dòng)量的變化，研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

　　散裂中子源工程副經(jīng)理陳元柏研究員說(shuō)，每分鐘就有20個(gè)中子打在手上。但由于衰變，自由中子十分不穩(wěn)定，平均壽命不到15分鐘，無(wú)法直接被用來(lái)探索材料的微觀結(jié)構(gòu)。因此一種能獲得高性能中子的大科學(xué)裝置——散裂中子源應(yīng)運(yùn)而生。

　　正在東莞建設(shè)的中國(guó)散裂中子源，由一臺(tái)80兆電子福特強(qiáng)流負(fù)氫離子直線(xiàn)加速器，一臺(tái)束流動(dòng)能為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器，一個(gè)靶站，和20臺(tái)（一期3臺(tái)）中子譜儀等科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施以及相關(guān)配套設(shè)施組成。整個(gè)裝置建在離地面13米—18米的地下，以屏蔽輻射。其中直線(xiàn)加速器隧道長(zhǎng)240米，環(huán)形加速器周長(zhǎng)228米，有半個(gè)足球場(chǎng)那么大。

　　散裂中子源究竟是如何工作的呢？陳元柏說(shuō)，在散裂中子源的源頭，負(fù)氫離子產(chǎn)生后，在直線(xiàn)加速器里加速，經(jīng)過(guò)剝離掉電子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，質(zhì)子束積累到足夠流強(qiáng)后，再注入環(huán)形加速器繼續(xù)加速，達(dá)到16億電子伏的能量后，從環(huán)形加速器引出，經(jīng)傳輸線(xiàn)打向金屬鎢靶，金屬鎢原子核在高能質(zhì)子的轟擊下，發(fā)生散裂反應(yīng)釋放出中子。

　　一個(gè)質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20—30個(gè)中子。陳元柏告訴南方日?qǐng)?bào)記者，在實(shí)際反應(yīng)中，這個(gè)瞬間形成的高能中子束流脈沖非常短又非常強(qiáng)，要經(jīng)過(guò)慢化器慢化處理后，通過(guò)中子導(dǎo)管引向各種研究用的譜儀，才能讓中子與試驗(yàn)樣品的原子碰撞。中子譜儀會(huì)記錄下碰撞后中子的運(yùn)動(dòng)軌跡，供用戶(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

　　就大眾關(guān)心的環(huán)境安全問(wèn)題，陳和生院士說(shuō)，中國(guó)散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，動(dòng)力來(lái)自電能，輻射控制在環(huán)保安全范圍內(nèi)。“在散裂中子源附近居住1年，居民受到的輻射量?jī)H相當(dāng)于乘1次長(zhǎng)途飛機(jī)。”

　　2 評(píng)估材料“內(nèi)傷” 預(yù)測(cè)材料壽命

　　“對(duì)一些材料進(jìn)行拉伸，拉到某個(gè)程度會(huì)斷。為什么會(huì)斷？因?yàn)?，很多材料在加工或者生產(chǎn)時(shí)會(huì)受力，這個(gè)力存在于材料中，這就是殘余應(yīng)力”。東莞材料基因高等理工研究院院長(zhǎng)張書(shū)彥說(shuō)，“這就像把應(yīng)力‘封印’在材料里，因?yàn)槿庋劭床坏?，因此我們就需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)材料的‘內(nèi)傷’的程度。”

　　通過(guò)散裂中子源的實(shí)驗(yàn)，研究人員便可知道所檢測(cè)的樣品中“封印”了多少殘余應(yīng)力，還可通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，得知材料所能承受的極限應(yīng)力，預(yù)知材料的壽命。如此一來(lái)，前文所述的德國(guó)動(dòng)車(chē)事故便可有效地避免。

　　如果工程師想知道某個(gè)部件對(duì)外力的耐受力，還希望了解使用不同材料和加工工藝生產(chǎn)出的部件，哪一種使用壽命更長(zhǎng)，將中子散射結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，就有助于找到這些問(wèn)題的答案。

　　張書(shū)彥告訴南方日?qǐng)?bào)記者，她2016年初回國(guó)創(chuàng)建東莞材料基因高等理工研究院的主要目的之一，就是要在中國(guó)進(jìn)行散裂中子源設(shè)計(jì)并建設(shè)一臺(tái)工程材料中子衍射譜儀，以解決國(guó)內(nèi)在材料設(shè)計(jì)、加工和裝備制造及服役性能等領(lǐng)域的類(lèi)似問(wèn)題。如今東莞材料基因高等理工研究院已經(jīng)和中廣核集團(tuán)簽訂了合作協(xié)議，去年8月有了第一份技術(shù)合同，正籌備共建“核電應(yīng)力工程技術(shù)研發(fā)中心”。

　　中子散射數(shù)據(jù)還在獲取液體分子結(jié)構(gòu)的過(guò)程中發(fā)揮著重大作用。如制藥行業(yè)就需要用到這項(xiàng)技術(shù)，藥物成分主要是從某些有機(jī)溶劑中提取的，而有機(jī)溶劑的易揮發(fā)和易燃性又牽引出安全生產(chǎn)問(wèn)題，最終導(dǎo)致制藥化學(xué)廢棄物的處理成本很高。研究人員通過(guò)中子散射技術(shù)，尋找到新手段，使化學(xué)物更容易處理，同時(shí)減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，從而大大降低了廢棄物的處理成本。

　　當(dāng)前國(guó)內(nèi)中子散射技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，對(duì)中子散射技術(shù)的研究和應(yīng)用的需求發(fā)展很快，中子散射領(lǐng)域的用戶(hù)群體每年都在顯著增加。8月11日上午，中國(guó)科學(xué)院院士、高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳和東陽(yáng)光集團(tuán)董事長(zhǎng)張中能簽署了中國(guó)散裂中子源首個(gè)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目——硼中子俘獲治療（BNCT）項(xiàng)目。BNCT是一種利用中子射線(xiàn)照射進(jìn)行腫瘤治療的技術(shù)，能夠有效殺死癌細(xì)胞而不損傷周邊組織，具有安全性高、定位精確、價(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn)，該項(xiàng)目有望在未來(lái)5年內(nèi)開(kāi)啟全國(guó)治療腫瘤疾病的新時(shí)代。

　　3 建中國(guó)人的散裂中子源

　　2001年2月，在由國(guó)家科學(xué)技術(shù)部（原國(guó)家科委）發(fā)起的香山科學(xué)會(huì)議上，專(zhuān)家們提出在中國(guó)建設(shè)散裂中子源的設(shè)想。經(jīng)過(guò)10年的調(diào)研、籌備之后，2011年10月20日，中國(guó)散裂中子源在廣東東莞開(kāi)工建設(shè)。

　　中國(guó)散裂中子源是迄今為止，我國(guó)單項(xiàng)投資規(guī)模最大的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其工程費(fèi)用約為23億元，除國(guó)家投資的18.6632億元建設(shè)主裝置區(qū)外，廣東和東莞兩級(jí)政府共投資5億元建設(shè)輔助裝置區(qū)，同時(shí)配套建設(shè)“中子源路”。

　　中國(guó)散裂中子預(yù)期壽命超過(guò)30年，媲美世界其他三臺(tái)散裂中子源裝置——英國(guó)的ISIS、美國(guó)的SNS和日本的J—PAC。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所對(duì)建設(shè)大科學(xué)裝置有豐富的經(jīng)驗(yàn)。建設(shè)中國(guó)散裂中子源的任務(wù)，也落在了研究所專(zhuān)家肩上。

　　“這么大的裝置過(guò)去沒(méi)做過(guò)，挺復(fù)雜的。”陳元柏說(shuō)，在建設(shè)之初，他們就組織成立了國(guó)際顧問(wèn)委員會(huì)，項(xiàng)目推進(jìn)一直得到全球散裂中子源的專(zhuān)家、領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)者、具體工作的負(fù)責(zé)人的支持。尤其是加速器和靶站的設(shè)計(jì)，“一方面，我們派人出去學(xué)習(xí)交流，另一方面，請(qǐng)專(zhuān)家來(lái)講課。”陳元柏說(shuō)。另外，中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目對(duì)所用設(shè)備的性能和工藝也有著嚴(yán)格要求。通過(guò)不斷改進(jìn)，最終中國(guó)散裂中子設(shè)備國(guó)產(chǎn)率達(dá)到96%以上。

　　目前，世界上的另外三臺(tái)散裂中子源裝置——英國(guó)的ISIS、美國(guó)的SNS和日本的J—PAC都是開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，全球的用戶(hù)可以向散裂中子源裝置提出需求，經(jīng)過(guò)用戶(hù)科學(xué)委員會(huì)對(duì)項(xiàng)目的篩選后，進(jìn)行順次排隊(duì)實(shí)驗(yàn)。未來(lái)，中國(guó)散裂中子源在建成后也會(huì)對(duì)全球用戶(hù)敞開(kāi)大門(mén)，每年將接待眾多研究者在不同譜儀上展開(kāi)研究。“我們要做用戶(hù)宣傳，讓國(guó)內(nèi)更多人了解散裂中子源的應(yīng)用”，陳元柏說(shuō)，中國(guó)散裂中子源正在一邊建設(shè)，一邊通過(guò)中英牛頓基金積極資助用戶(hù)去國(guó)外三家散裂中子源做實(shí)驗(yàn)，用以培養(yǎng)用戶(hù)。在中國(guó)散裂中子源主裝置區(qū)之外，園區(qū)內(nèi)還有供未來(lái)的實(shí)驗(yàn)用戶(hù)住宿的樓宇。

　　今年9月，中國(guó)散裂中子源將輸出第一束實(shí)驗(yàn)中子束，邁出我國(guó)重大科學(xué)裝置運(yùn)作的標(biāo)志性一步。陳元柏說(shuō)，2018年通過(guò)驗(yàn)收后，中國(guó)散裂中子源將充分發(fā)揮第一期三臺(tái)譜儀在材料科學(xué)、生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué)等領(lǐng)域的作用，為用戶(hù)提供高性能、安全可靠的研究平臺(tái)。（記者 曹斯 林亞茗）