什么是中子？

　　中子由查德威克于1932年發(fā)現(xiàn)，是組成物質(zhì)的基本粒子之一，不帶電，因此被稱為中子。 

　　原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成

　　在宇宙中，中子含量非常豐富，幾乎占了所有可見物質(zhì)的一半。但對于物理和生物材料領(lǐng)域的研究來說，缺少一種足夠亮度的中子源。正如我們希望能夠在黑暗中有一盞明燈，照亮閱讀中的書籍那樣，科學家們也渴求有一種強亮度的中子源，能夠“拍攝”到材料的微觀結(jié)構(gòu)，跟蹤正在運動中的原子和分子的行為。散裂中子源應(yīng)運而生，它能夠產(chǎn)生高亮度的中子流，其中子數(shù)量將超過每秒每平方厘米1億億個。如同閃光燈那強烈的一閃，之后物體的影像就被探測器捕捉到了。中子束流打到被觀測的物體上，向各個方向散射開來，就好像公園噴泉中的水噴到巖石上發(fā)生濺射一樣?？茖W家們就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測物體的微觀特征。

　　本圖為利用中子散射技術(shù)觀測到的含有鋅離子的兩個胰島素分子結(jié)構(gòu)。為便于中子衍射研究，需將胰島素分子晶體化。在 其晶體化過程中，胰島素分子吸附鋅離子（圖中的白色小球）。

　　本圖為在美國阿貢國家實驗室強脈沖中子源上開展的利用中子散射研究某個樣品的結(jié)果。該樣品顯示肽（圓柱體）在細胞膜中形成孔并將自身嵌入其中。

什么是中子源？

　　要用中子做探針，必須有一個適當?shù)闹凶釉?。最早使用的是放射性同位素中子源，但強度較低，壽命有限。20世紀用于中子核物理研究的主要中子源，是用低能粒子加速器產(chǎn)生的帶電粒子束轟擊靶而產(chǎn)生的中子，其能量單一、脈沖性好，但中子產(chǎn)生效率較低。反應(yīng)堆中子源中子通量高，應(yīng)用最為廣泛，但由于反應(yīng)堆散熱技術(shù)的限制，使其最大中子通量受到限制。

　　散裂中子源的出現(xiàn)則突破了反應(yīng)堆中子源中子通量的極限。

　　當高能量粒子如高能質(zhì)子轟擊重原子核時，一些中子被“剝離”，或被轟擊出來，這個過程稱為散裂。與裂變反應(yīng)相比，散裂反應(yīng)釋放的能量較低，但它可以將一個原子核打成幾塊，這個過程中會產(chǎn)生中子、質(zhì)子、介子、中微子等，有利于開展核物理前沿課題研究和應(yīng)用研究，且次生中子還會與臨近的靶核作用而產(chǎn)生中子——即核外級聯(lián)。一個質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20到30個中子，這是散裂中子源的基本條件。

　　上世紀80年代起，由質(zhì)子加速器驅(qū)動的散裂中子源，逐漸進入實際應(yīng)用階段。其原理比較簡單，用高能強流質(zhì)子加速器，產(chǎn)生1 GeV左右的質(zhì)子轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中產(chǎn)生散裂反應(yīng)。散裂中子源的特點是在比較小的體積內(nèi)可產(chǎn)生比較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的范圍。表1給出了三種典型中子源的特點比較。

什么是散裂中子源？

　　當一個高能質(zhì)子，打到重原子核上時，一些中子被轟擊出來，這個過程被稱為散裂反應(yīng)。被轟擊的原子核溫度升高，更多的中子就會“沸騰”起來并脫離原子核的束縛。如果將一個壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會立刻蹦出來，而更多的球則會彈跳并翻出筐外，散裂反應(yīng)與這個過程很相似。每個與原子核相作用的質(zhì)子能夠轟擊出20到30個中子。 

　　從上世紀80年代開始發(fā)展起來的、基于先進加速器技術(shù)的散裂中子源是目前世界上最先進的中子源。其基本原理是用高能強流質(zhì)子加速器產(chǎn)生能量在1GeV以上的質(zhì)子束轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中發(fā)生散裂反應(yīng)，產(chǎn)生大量的中子。

　　散裂中子源與反應(yīng)堆中子源各具特色，是相互補充的研究手段。我國在反應(yīng)堆中子散射研究中已有較深厚的基礎(chǔ)，可為進一步發(fā)展散裂中子源先進技術(shù)提供有力支持。散裂中子源的特點是在較小的體積內(nèi)可產(chǎn)生較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的范圍；它具有高脈沖通量和優(yōu)越的脈沖時間結(jié)構(gòu)，低本底，且不使用核燃料，只產(chǎn)生極少量活化產(chǎn)物等獨特優(yōu)點。

　　近年來，隨著強流加速器技術(shù)的發(fā)展，百千瓦到兆瓦級束流功率的散裂中子源成為國際公認的新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。

　　進入21世紀，美、日、歐等發(fā)達國家認識到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在現(xiàn)代科學技術(shù)中的重要地位，把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措，相繼斥巨資建設(shè)新一代的散裂中子源。

　　中國散裂中子源工程將于2011年秋動工，第一期設(shè)計束流功率為100Kw，脈沖重復(fù)頻率為25Hz，它主要由一臺80MeV負氫直線加速器、一臺1.6GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器及其前后兩條束流傳輸線、一個靶站和三臺中子譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施組成。作為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，其建成后將進入世界四大散裂中子源的行列，大幅提升我國基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平，縮短我國與世界前沿30年的差距。