高大上的科学设施，您知道几个？（3）
2016/5/31 中国科学院北京综合研究中心
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中国散裂中子源
散裂中子源产生强脉冲中子，通过测量中子束流在样品的散射反应过程，探测样品原子核的位置和运动状况，为材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。
1建设背景
20世纪以来，美、日、欧等发达国家把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措，相继斥巨资建设新一代散裂中子源。韩国和印度，也正在积极筹建束流功率为百千瓦量级的散裂中子源。
2008年9月，由中国科学院和广东省人民政府共同建设的中国散裂中子源项目(Chinese Spallation Neutron Source，简称CSNS)开始筹建。该项目建设队伍汇聚了中国老中青三代杰出科学和技术人才。经过多年的预制研究，很多关键技术已经掌握。中国散裂中子源是发展中国家的第一台散裂中子源，建成后将跻身世界四大散裂中子源的行列。
项目预计总投资为二十二亿元人民币，其中国家投资十七亿元，广东省配套投资五亿元。中科院高能物理研究所是该工程建设的法人单位，共建单位为中科院物理研究所。项目预计2018年3月建成。
中国散裂中子源项目的效果图
2建设目标
CSNS的建设将涵盖我?国?凝聚态物理?、化学、材料等多学科领域应用的需要，同时兼顾生命科学、工业应用等领域研究的应用需求。建成后将在发现新型?高温超导材料?、形成?氢离子?运动的凝聚态物理新理论、DNA分子识别的纳米?自组装?、蛋白质相互作用等一系列领域有望获得重大突破。每年将有上千研究人员在?散裂中子源?利用不同的谱仪互相交流协调、启发借鉴，不同学科也有机会实现渗透、交叉，开辟新领域，创建新学科。工农业生产领域中的许多问题，如研究石油输油管线裂纹的成因、?测量飞机?涡轮的叶片与轮盘的焊接应力、研究大豆根系生长等，也能在散裂中子源的帮助下解决。
CSNS的建设过程中，将有大量技术难关等待中国最高水平的科研力量携手攻克。质子加速器、靶站、中子散射谱仪的建设，都涉及大量具战略意义的高技术。建设这样的?大科学装置?，能直接促进相关高科技研究和工业的发展，还?能为我国培养和凝聚一大批高水平的科研人才和工程管理人员。
中国散裂中子源项目施工现场
3建设内容
CSNS建设包括：一台80MeV负氢直线加速器，一台1.6GeV快循环质子同步加速器，两条束流输运线，一个靶站，7台中子散射谱仪、辐射防护系统及相应的配套设施，随着科学研究的深入，未来中子反射谱仪将达18台。束流功率为100千瓦、脉冲重复频率25赫兹的CSNS脉冲中子通量设计指标超过目前世界上正在运行的所有散裂中子源，将为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合试验装置。
中国散裂中子源项目施工现场
4建设进度
2014年10月15日上午，经过三年的施工，中国散裂中子源项目的第一台设备——负氢离子源在东莞“下隧道”安装，标志着该项目正式进入项目设备安装阶段，为2016年试运行打下坚实基础。
技术人员在进行安装
科普小知识
1 什么是中子？
世界上的物质是由分子和原子构成的，原子就像是原子核和核外电子的微小太阳系，质子和中子构成了原子核。
中子作为组成原子核的基本粒子之一，不带电，因此被称为中子。它是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。中子对轻的原子核非常敏感，能够精确测得分子结构中的氢原子位置，还能定位“掺杂”在重原子中的其他轻原子。中子的这种特性，使它能够“拍摄”到材料的微观结构，跟踪正在运动中的原子核分子的行为。
中子主要是通过“中子散射”过程来实现对样品的研究：当一束中子入射到所研究的对象上时，与研究材料中的原子核或磁矩发生相互作用，向各个方向散射开来。就好像一束光打在半透明的物体上，有的光透过物体，有的光被反射或散射，这样我们能够从各个方向上看到物体。中子束流打到样品上时，大多数中子会穿过样品，不受任何阻碍，但有些中子将直接与样品的原子核发生相互作用，运动方向发生改变而发生分散传播，就像弹珠游戏一样。通过测量散射出来的中子能量和动量的变化，可以在原子、分子尺度上研究各种物质的微观结构和运动规律，告诉人们原子、分子在哪里，在做什么，这种研究手段叫做中子散射技术。
2 什么是中子源？
中子源是能够产生中子的装置，进行中子核反应、中子衍射等中子物理实验的必要设备。要用中子研究物质的结构，必须有一个适当的中子源。最早使用的是放射性同位素中子源，但强度较低，寿命有限。20世纪用于中子核物理研究的主要中子源，是用低能粒子加速器产生的带电粒子束轰击靶而产生的中子，其能量单一、脉冲性好，但中子产生效率较低。反应堆中子源中子通量高，应用最为广泛，但由于反应堆散热技术的限制，使其最大中子通量受到限制。散裂中子源的出现则突破了反应堆中子源中子通量的极限。
当高能量粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被“剥离”，或被轰击出来，这个过程称为散裂。与裂变反应相比，散裂反应释放的能量较低，但它可以将一个原子核打成几块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等，有利于开展核物理前沿课题研究和应用研究，且次生中子还会与临近的靶核作用而产生中子——即核外级联。一个质子在打靶后大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。
上世纪80年代起，由质子加速器驱动的散裂中子源，逐渐进入实际应用阶段。其原理比较简单，用高能强流质子加速器，产生1 GeV左右的质子轰击重元素靶(如钨或铀)，在靶中产生散裂反应。散裂中子源的特点是在比较小的体积内可产生比较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广，大大扩展了中子科学研究的范围。
3 什么是散裂中子源？
简单地说，散裂中子源就是一个用中子来了解微观世界的工具。当一个高能质子打到重原子核上时，一些中子被轰击出来，这个过程被称为散裂反应。被轰击的原子核温度升高，更多的中子就会“沸腾”起来并脱离原子核的束缚。如果将一个垒球用力投到装满球的筐中，有一些球会立刻蹦出来，而更多的球则会弹跳并翻出筐外，散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。
从上世纪80年代开始发展起来的、基于先进加速器技术的散裂中子源是目前世界上最先进的中子源，它的基本原理是用高能强流质子加速器产生能量在1GeV以上的质子束轰击重元素靶(如钨或铀)，在靶中发生散裂反应，产生大量的中子。它为众多学科前沿领域的研究提供了一种最先进、不可替代的研究工具，如凝聚态物理、化学、材料科学、生命科学、环境科学、信息科学、核科学等。
散裂中子源与反应堆中子源各具特色，是相互补充的研究手段。我国在反应堆中子散射研究中已有较深厚的基础，可为进一步发展散裂中子源先进技术提供有力支持。散裂中子源的特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广，大大扩展了中子科学研究的范围；它具有高脉冲通量和优越的脉冲时间结构，低本底，且不使用核燃料，只产生极少量活化产物等独特优点。
近年来，随着强流加速器技术的发展，百千瓦到兆瓦级束流功率的散裂中子源成为国际公认的新一代高通量、宽波段、高效安全的中子源。进入21世纪，美、日、欧等发达国家认识到能提供更高中子通量和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，把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措，相继斥巨资建设新一代的散裂中子源。我国也需要有这种科学装置来满足科学家的研究工作。
4 科学研究的利器。
用于中子散射的中子，波长从几埃到几十埃、能量在毫电子伏特到电子伏特之间，分别与物质中原子分子之间的距离和相互作用能量相当。由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强，能分辨轻元素、同位素和近邻元素以及非破坏性等特性，中子散射称为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一，在众多学科领域中被广泛应用。
目前，中子散射技术在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法替代的作用。散裂中子源与同步辐射光源互为补充，已经成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。同时，中子散射技术在磁性凝聚态物理、纳米材料、高强度高性能塑料、蛋白质和生物、高温超导机理、同位素辨识、工业无损深度探伤、污染及废料处理等领域得到了广泛的应用。
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