散裂中子源简介
编辑散裂中子源（英语：spallation neutron source，简称SNS）是一种利用能量在几百MeV ~ GeV之间的轻带电粒子轰击重元素靶核，引起散裂反应产生中子的中子源。散裂中子源能量是基于加速器的新一代脉冲中子源，可以为中子散射提供高通量的脉冲中子。
1920年，欧内斯特·卢瑟福首次提出了原子核中介子的概念。1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克在f·约里奥·居里和i·约里奥·居里的工作基础上，通过进一步的实验发现了中子。20世纪80年代以来，由质子加速器驱动的散射中子源逐渐进入实际应用阶段。英国卢瑟福实验室的ISIS，建于20世纪80年代至2007年，一直是世界上最明亮的裂变中子源，其脉冲中子通量几乎比最高通量反应堆高出一个数量级。20世纪90年代，美国、日本、欧洲等发达国家开始认识到散裂中子源在现代科学技术中能够提供更高中子通量和利用效率的重要地位，陆续提出建设束流功率达到兆瓦级的散裂中子源。
2001年2月18日，中国在香山会议上提出了建设裂变中子源的设想。2011年10月20日，中国散裂中子源在东莞正式开工建设。2018年8月23日，中国散裂中子源工程顺利通过国家验收，正式投入运行。2023年1月11日，中国散裂中子源二期工程可行性研究报告获批;同年11月12日，中山大学与散裂中子源科学中心共建的高能直接几何非弹性中子散射飞行时间光谱仪在中国散裂中子源正式亮相，预计2024年正式投入使用。截至2024年初，全球仅建成了4个散射中子源装置，分别是美国的SNS、日本的J-PARC、英国的ISIS和中国的CSNS。
劈裂中子源的特点是可以在更小的体积内产生更高的脉冲中子通量，并且可以提供更宽的中子能谱，大大扩展了中子科学研究的范围;它具有脉冲通量高、脉冲时间结构优越、本底低、不使用核燃料、只产生极少量的活化产物等独特优点。散裂中子源广泛应用于日常生活中，包括化学、磁学、超导、晶体材料、医学、结构生物学等领域。
散裂中子源相关概念
编辑中子
中子是查德威克在1932年发现的，它是构成物质的基本粒子之一。它们不带电，因此被称为中子。中子不带电，具有磁矩，穿透性强，对样品无破坏性，是研究物质结构的理想探针。
中子源
能发射中子的装置或物质称为中子源。常用的中子源有同位素中子源、加速器中子源、反应堆中子源和裂变中子源。
散裂及散裂反应
当高能质子等快速粒子轰击重原子核时，一些中子被“剥离”或轰击出去，这在核反应中称为碎裂，这个过程称为碎裂反应。与裂变反应相比，破碎反应释放的能量较低，但它们可以将原子核分解成几块。在此过程中会产生中子、质子、介子、中微子等，有利于核物理领域的前沿研究和应用。此外，次级中子也与附近的靶核相互作用产生中子，即核外级联。一个质子在撞击目标后可以产生大约20到30个中子，这是分裂中子源的基本条件。
散裂中子源原理
编辑散射中子源由三部分组成:质子加速器、产生中子的靶站和中子散射光谱仪。分裂中子源的原理是利用质子加速器产生的高能质子轰击重元素目标，使重金属的原子核破碎，产生高通量、短脉冲的中子。当中子束入射到样品上时，它被目标站周围的光谱仪发射和接收。研究人员可以通过观察中子能量和动量的变化来获得样品的结构信息。
质子加速器是一种用来加速质子的仪器。它是一种在电场中人为地将带电粒子(质子)加速到所需能量并产生一定质子束的装置。靶站是产生中子的核心装置，通常由重金属靶、减速剂、反射器、冷却系统和生物防护罩组成。中子散射光谱仪根据对中子物理量变化的探测可分为弹性散射光谱仪和非弹性散射光谱仪两类。弹性散射光谱仪主要研究物质中原子、分子等的位置，即结构信息。非弹性散射光谱仪主要研究物质中的原子、分子等如何运动，即动态过程。与质子加速器的界面是一个由水冷却的高强度不锈钢制成的质子束窗。加速器加速的高能质子束穿过这个窗口，进入重金属靶，与重金属原子的原子核发生碰撞。通过复杂的核反应，如核内级联和核外级联，重原子核散射成各种高能粒子，包括中子。
重金属靶材作为产生中子的关键部件，除了要求中子产率高外，还必须具有良好的导热性、耐腐蚀性和抗辐射损伤性。同时，也要尽可能避免产生半衰期同位素，保证装置稳定、高效、长期安全运行。目前公认的观点是重水冷却固体靶在质子束功率低于1MW时更合适;但当光束功率超过1MW时，需要使用液体靶。一般来说，固体靶是由包裹在薄钽层中的钨制成的，而液体靶是由汞或铅铋合金制成的。裂变反应产生的中子通常能量高、速度快。在将其用于中子散射实验之前，需要对其进行减速，这个过程称为减速。缓和剂包括缓和剂、工作流体容器和冷却系统。
常用的用于散射中子源的中子散射光谱仪，根据研究对象和目的的不同，大致可分为粉末衍射仪、单晶衍射仪、小角衍射仪、反射仪、直接几何非弹性散射光谱仪(转子光谱仪)、逆几何非弹性散射光谱仪(晶体分析光谱仪)六种类型。前4台为弹性散射光谱仪，后2台为非弹性散射光谱仪。
散裂中子源特点
编辑高脉冲中子通量:有效脉冲中子通量可以比反应堆高几个数量级。
丰富的高能短波中子:中子减速机释放的过热中子比反应堆高1-3个数量级，为高动量、高能量转移的中子散射提供了保证。
优越的脉冲时间结构:短脉冲分裂中子源的脉冲宽度在微秒级，相邻脉冲之间的时间间隔在毫秒级。中子星能谱仪可以方便地采用飞行时间技术，大大提高了热中子的利用效率。
低热功率:现代裂变中子源的束流功率从数百千瓦到兆瓦不等，但远小于反应堆的10到数十兆瓦。裂变源每产生一个中子释放大约45MeV的热量，而反应堆需要释放180MeV的热量。
低本底:脉冲产生过程中只存在快中本底，显著提高了中子散射数据的信噪比。
不使用核燃料:散裂中子源通过加速器加速质子轰击重金属目标产生中子，不需要核燃料，也没有核临界问题。
活化产物少：与反应堆相比，裂变中子源产生的活化产物的数量要少三到四个数量级。
历史沿革
编辑发现中子
1920年，卢瑟福在英国皇家学会的贝克讲座上提出，也许在原子核这样小的范围内，多余的质子会吸引原子核外的电子，形成一个质量与质子相似的中性粒子。由于实验中使用的粒子是由镭的自然衰变产生的，能量很低，所以它们永远无法破坏原子核。粒子加速器问世后，由于当时加速器的能量不足，轰击原子核的尝试并没有取得重大进展，通往原子核的神秘之门也没有打开。居里夫妇用铍射线轰击石蜡和其他含氢物质，观察到石蜡放射出强烈的粒子流。由于当时人们错误地认为这种铍辐射是一种辐射，所以很难解释这种粒子流的辐射现象。查德威克根据居里夫妇的实验敏锐地观察到，铍辐射绝不是γ辐射可能是由铍释放的新粒子组成的。1932年，查德威克在居里夫妇的基础上，通过进一步的实验发现了中子。
中子散射应用
自1936年首次中子衍射实验成功以来，中子散射已应用于物理、化学、材料、生物、地质、能源、医疗、环保等诸多研究领域。1946年，美国的Clifford G. Shull教授用中子衍射法研究磁性材料。他利用中子衍射技术显示了氢原子在晶体中的位置，可以更全面地了解许多无机物和有机物的晶体结构。Schaer研究了顺磁性材料中中子磁矩和原子磁矩的散射，促进了磁晶体学的发展。他还研究了极化慢中子辐射的应用，发明了中子干涉系统，为研究中子与物质相互作用产生的各种基本效应提供了极为灵敏的工具。
1955年，加拿大的Bertram N. Brockhouse教授利用中子散射研究了晶格动力学。他致力于中子非弹性散射技术的研究，并在现有单轴和双轴中子光谱仪的基础上设计了三轴光谱仪。它已被广泛应用，并已成为研究凝聚态物理的基本工具。几乎所有进行凝聚态物理研究的中子束反应堆实验室都有这种设备。Schall教授和Brockhaus教授因在中子散射领域的开创性工作而于1994年获得诺贝尔物理学奖。
散裂中子源发展
20世纪80年代以来，由质子加速器驱动的散射中子源逐渐进入实际应用阶段。原理相对简单，利用高能、大电流质子加速器产生约1GeV的质子轰击重元素目标(如钨或铀)，导致目标内部发生碎裂反应。劈裂中子源的特点是可以在相对较小的体积内产生较高的脉冲中子通量，并且可以提供更宽的中子能谱，极大地扩展了中子科学研究的范围。英国卢瑟福实验室的ISIS，建于20世纪80年代至2007年，一直是世界上最明亮的裂变中子源，其脉冲中子通量几乎比最高通量反应堆高出一个数量级。20世纪90年代，美国、日本、欧洲等发达国家开始认识到散裂中子源在现代科学技术中能够提供更高中子通量和利用效率的重要地位，陆续提出建设束流功率达到兆瓦级的散裂中子源。
应用领域
编辑工程方面
中子散射技术的改进有助于防止机翼断裂、管道严重腐蚀等问题。如果工程师想知道部件何时可能损坏，以及是否可以使用不同的材料和加工技术来生产更长的寿命部件，将中子散射结果与计算机模拟相结合可以找到这些问题的答案。
复杂流体方面
利用中子，人们可以看到复杂的分子流体(如洗发水、油漆、润滑剂等)在一个方向上施加力时(如在头发上摩擦洗发水)是如何变化的。例如，洗头时，洗发水必须足够粘稠，以便留在手上，但也要足够稀释，以便容易分散在头发中;利用来自散射中子源的高亮度中子束可以加速人工血液的发展;裂变中子源提供的信息也有助于生产用于食品加工和化妆品的胶囊;有助于控制微流体的流动，提高润滑油的性能;有助于合成添加剂，促进或防止混合，控制某些加工工艺;散裂中子源还可以帮助研究人员了解弹性材料(如橡皮筋)的结构与弹性之间的关系;散裂中子源有助于揭示不同分子结构对材料复杂行为的贡献，使我们能够更深入地了解如何生产最有效的粘合剂和涂层。
聚合物方面
美国橡树岭国家实验室和北卡罗莱纳大学利用中子小角散射分析了可溶于二氧化碳的聚合物的特性，并开发了能将不溶性物质悬浮在溶液中的乳化剂(洗涤剂)。破碎中子源提供的详细信息使科学家能够了解如何调节溶解压力，使不溶性聚合物溶解，或在加工过程中的适当时间将它们从溶液中分离出来，以实现在新的聚合、提取和清洁应用中控制溶解度的目标。中子散射将帮助科学家确定生产高质量塑料产品的最佳聚合物混合物。大型波音757飞机是由轻质塑料制成的。中子研究有助于制造更安全、更快、更节能的飞机。
通过利用分裂中子源，科学家们可以收集更多关于通信光纤、用于小型电机和发电机的金属玻璃(硼铁)磁铁、以及可能用于电池和燃料电池的离子导电玻璃的详细信息。散裂中子源将用于研究污染土壤和其他固化在玻璃中的核废料的长期稳定性。钴钛合金具有生物惰性、耐磨性、耐腐蚀性等优点，被广泛用于医疗植入领域。强中子束有助于研究它们的整体性能和表面处理。此外，在竞相开发新材料的电子工业中，中子散射仍然是研究非晶半导体结构和分子水平动力学(如硅原子的结合)的重要工具，需要劈裂中子源等更强的中子束。
医药/结构生物学方面
了解蛋白质的工作原理是解开生命之谜的金钥匙。蛋白质作为酶，在活细胞的化学反应中起催化作用;作为激素，蛋白质分子可以调节机体发育，控制器官活动，使我们能够抵抗病毒感染。但是，如果蛋白质发生突变或病毒被包裹，就会使人的身体状况恶化，患上癌症或艾滋病等严重疾病。这主要取决于每个分子的复杂形状，有的呈椭球状，有的呈盘子状，有的呈哑铃状。DNA分子决定蛋白质的合成。中子散射可以获得DNA的形状和结构，广泛应用于医学治疗，如治疗癌症或艾滋病。
对于精细的蛋白质晶体，高亮度中子束提供的信息可以作为x射线的补充。实验表明，这种晶体在轨道空间站上可以生长到1立方毫米大小，并且含有足够的微分子用于中子散射研究。同样，结合中子和x射线来研究蛋白质将在制药工业、农业和生物技术领域引起极大的兴趣。中子散射技术可以研究药物的结构及其与靶标结合的特点，为药物的选择、修饰提供依据，加快新药的开发进程。
散裂中子源有助于研究酶的活性。通过在一定培养基中掺入氘原子，利用中子散射技术，破碎中子源可以告诉科学家酶活性区域的位置，以及潜在药物粘附在该区域的可能性，从而防止酶的不良活性。
结晶材料方面
从炊具到电脑芯片再到处方药，我们日常生活中的许多材料都是由具有特殊性质的晶体组成的。材料的特性主要是由原子的排列决定的。对于晶体材料来说，单晶中原子的排列和晶体本身的排列都很重要。许多现代合成材料故意改变原子或晶体的排列。
中子散射测量将加深我们对重要材料的基本性质的理解，如催化剂、离子导体、超导体、合金、陶瓷、水泥、磁铁和放射性废物的形成。
散射中子源所提供的高通量中子将极大地扩展材料科学的研究范围。科学家们可以研究更小样本的多层薄膜结构，比如CD播放器等电子设备。这种结构可用于未来的电子设备，以提高笔记本电脑、喷墨打印机、录像机和蜂窝电话网络的性能。由纳米粒子、纳米纤维和多层薄膜组成的新型材料也日益受到人们的关注，这将是中子散射技术的一个新的应用领域。
散裂中子源可以每隔几分钟(甚至几秒钟)提供一个完整的中子衍射图，使研究人员能够对电池中发生的许多过程进行时间跟踪研究。科学家可以在分子水平上追踪物质的行为，比如电池或燃料电池中的离子导体发生变化的速度有多快;温度变化对石油和化工行业催化剂的影响是什么?旋转涡轮叶片在加热变形过程中晶体结构发生了什么变化?当水泥吸水时，其颗粒发生了什么变化;以及在地质研究用的多砧压力工具中，施加压力时土层物质的变化情况。
未来科技中使用的高性能材料在结构上更加复杂，但它们可以让我们事半功倍，提供更人性化的环境，让更多的科学幻想变成现实。材料科学和结构化学属于研究的前沿，因此需要不断加强中子散射的应用。
磁学和超导方面
中子散射可以获得大多数与已知磁性材料的原子行为有关的信息。中子具有磁矩，它可以揭示用任何其他方法无法获得的材料磁性特征的详细信息。这些信息对于开发高密度记录介质(如录音带、录像带、cd和计算机磁盘)至关重要。
研究人员一直致力于开发体积小、重量轻、磁力强的永磁体。中子散射实验有助于确定高性能磁性材料的原子结构。这些为磁体行业选择最佳材料和加工技术提供了指导。由于进行了这样的研究，我们能够使用永磁体制造非常小的电机，自动调整座位和打开汽车窗户。体积小、重量轻的磁铁还可以提高汽车燃料的燃烧效率。
先进的裂变中子源可以提供足够的中子，帮助科学家控制磁性在材料向超导状态转变中的作用，从而帮助理解高温超导体是如何工作的，以及它们如何在相对较高的温度下保持超导性。通过了解这一点，我们可以生产出具有更好导电性的超导材料，并有可能提高大功率传输线和高磁场磁体的性能。这些基本信息可用于高速电子器件的设计。
化学方面
中子散射对于理解油水化合物(如脂肪和乳剂(如冰淇淋))的基本化学结构至关重要。中子散射技术可以显示化学产品中不断变化的微观结构。
科学家们正试图利用中子来研究骨骼在发育过程中是如何钙化的，骨质疏松症期间骨骼会发生什么变化，以及医生推荐的治疗方案是否可行。中子散射技术还可以帮助人们了解新牙膏产品中的化学添加剂是否真的有助于清洁牙齿。
在结构信息的帮助下，研究人员已经开发出许多连接无数原子的大分子，如药物、塑料、用于服装、化妆品、油漆、新型建筑材料、汽车或飞机材料的合成纤维、高效洗发水或洗涤剂、高质量润滑剂以及更健康、更环保的食品。
量子和无序材料
磁性和超导的弹性和非弹性散射、磁性薄膜中的磁性结构和磁相互作用、磁性制冷材料的晶体和磁性结构、相关电子系统等相关材料;有机材料、分子磁体的自旋密度分布与波;无序物质、多组分系统和特殊原子类型的原子动力学研究;无序、掺杂、相变、热力学、化学和生物性质等。
材料科学和工程
应力应变测量，中子在工程部件和材料中的应用;变形破坏机理研究、工程设计与评价模型验证、过程控制与优化;优化储能系统和能量转换装置的工艺和材料;了解渗透过程、性质和表面相互作用之间的关系。
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