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大科学装置与散裂中子源

大科学装置包括两类，一类是面向单一学科的专用装置，例如高能物理领域的加速器、天文领域的望远镜、核聚变实验装置等；另一类是面向多学科的大型公用研究平台，主要包括同步辐射装置、散裂中子源等。其作为物质结构探测的“利器”互为补充、相得益彰：同步辐射，即高能电子加速器产生的高强度的X光，对电子结构和重原子敏感；散裂中子源则对原子核和轻原子敏感。

中子是构成物质的基本粒子，但要用它研究物理和生物材料，科学家发现它们的“亮度”总是不够。为此，科学家用高能质子等快速粒子轰击重原子核，使其中部分中子“散裂”出来，然后用中子束流瞄准样品，探测、计算得到散射中子的能量、散射角度及位置，进而得到固体位置、运动、特性等信息。据悉，中子散射可帮助科学家了解从液态晶体到超导陶瓷、从蛋白质到塑料、从金属到胶粒等各种物质特性的详细情况。

中子散射技术已成为当前研究物质微观结构及其动力学过程最重要的工具之一，在诸如凝聚态物理、化学、生物工程等领域被广泛采用。特别是随着科学技术的飞速发展，薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等研究体系成为研究的主要对象，这些物质结构单元更大、样品体积更小、结构形态变化更快，为满足这些科学与技术研究的需要，迫切需要建立散裂中子源这样的科学平台。目前中子散射技术已在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法取代的作用，成为科学研究和新材料研发中必不可少的工具。同时，中子散射在磁性凝聚态物理、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也得到了广泛应用。

利用中子，首先必须有中子源。散裂中子源是世界中子源的主流发展方向，它与核反应堆中子源相比具有许多独特性能：高脉冲通量，丰富的高能短波中子，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，等等。

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，纷纷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：

在美国，总投资14亿美元、设计束流功率为1.4 兆瓦的散裂中子源(SNS)经过7年建设现开始调束，并于2006年4月28日产生出第一束中子，其升级工程同时启动；

在日本，总投资约18亿美元的日本质子加速器研究联合装置(J-PARC)正在建设中，建设周期约8年。其快循环同步加速器将提供1兆瓦的质子束流用于驱动散裂中子源；

在英国，对已成功运行20余年的散裂中子源(ISIS)投资约3亿美元进行升级改造其质子加速器，并正在积极建设ISIS的第二靶站；

亚洲邻国韩国和印度，也正在积极筹建束流功率为百千瓦量级的散裂中子源：PEFP和ISNS。

重大基础、前沿研究历来是产生诺贝尔奖的摇篮。自1895年X射线被伦琴发现以来，因X射线及其应用领域中的研究而获得的诺贝尔物理学奖就有7项，化学奖有5项，医学奖有2项；X射线的相关应用，也已覆盖与人类生活息息相关的各个领域。中子散射方面，沙尔和布罗克豪斯因分别利用中子散射研究磁结晶学及晶格动力学，获得了1994年的诺贝尔物理学奖。

散裂中子源不仅面向世界科学前沿，有力地提升我国基础研究和高技术的水平，同时促进我国在能源、国防、工业等领域先进技术的发展。深海储存有大量甲烷等有机可燃小分子的水合物，即所谓可燃冰，是有待开发的一种新型能源。高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件，其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。通过散裂中子源项目发展起来的强流质子加速器，可用于航天器件辐照效应的地面模拟试验研究。利用中子散射对工程材料和部件缺陷及应力的深度检测，可为工程部件确定可靠的使用期限，现在已经成为一种先进的无损检验方法。散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究。质子治疗是利用加速器提供的质子束流照射并最终杀死肿瘤细胞的一种先进治疗手段，已经在许多发达国家得到应用。

专家指出，中国散裂中子源是一台大型射线装置，但它产生的辐射的绝大部分是瞬发性的。散裂中子源产生的剩余产物活性低于反应堆中子源的1/1000。通过采取有效的防护措施和严格的安全联锁，可以确保装置在正常运行或设备故障期间，其对环境的影响完全控制在国家标准之内。在正常运行状况下，装置的科学寿命将超过30年。

编辑：晓棠 来源：科学时报