中科院高能物理研究所東莞分部副主任梁天驕研究員給我們介紹了中國散裂中子源的工作原理。

中國散裂中子源每40毫秒提供20多束脈衝中子束流，照射各種材料，讓人們獲得物質在原子層級上的結構和運動的信息。這樣的信息對探索基礎科學問題、研發高性能材料、研究高鐵輪軌失效機理等十分重要。

中子束流從哪來呢？

原子包含由中子和質子構成的原子核和核外電子。質子和電子可以較容易地通過氫原子的電離等方式獲得。在地球上，超過一半的物質質量由束縛在原子核內的中子貢獻，而自由中子由於其半衰期只有八百八十多秒，數量很少。要把中子從原子核中釋放出來，需要給原子核內的中子提供很大的能量，才能克服將它約束在原子核內的很強的核力。

散裂中子源，就是用高能質子轟擊原子核的辦法產生中子。

要把原子核“撞碎”，需要比原子核小的東西作“子彈”。我們的子彈，即質子，根據量子力學的波粒二象性，質子既是一個粒子，但同時又有波的性質。質子能量越高，波長越短。質子能量較低時，它的波長大於原子核的直徑，這時質子只能與整個原子核發生相互作用，不能給原子核內的中子提供足夠的能量。而當質子能量足夠高時，其波長會小於原子核的尺寸，這時，入射質子可以與原子核內的中子、質子等核子發生單獨的碰撞，入射質子與被碰撞的核子能量比較高時，它們還可以繼續與原子核內的其他核子發生碰撞，甚至將原子核“撞碎”，就像打檯球的開球時一樣，從而讓原子核內的中子釋放出來爲我們使用，這個過程叫做核內級聯碰撞。

中國散裂中子源環形加速器

中國散裂中子源利用直線加速器和環狀加速器把質子加速到高達光速（宇宙中最快的速度）的百分之九十，能量達到1.6GeV，然後控制質子轟擊由重金屬鎢製成的靶。高能質子除了把鎢原子核中的一些中子直接撞出原子核，還會使原子核處於能量高、不穩定的激發態，激發態的原子核就像一壺燒開的水，不斷向外“冒泡” ，進一步“蒸發”出一些中子、氘核、α粒子等輕粒子。高能質子入射重核後這一系列複雜的核反應統稱爲散裂反應，一個1.6GeV的質子可以從鎢原子核中釋放出四十多個中子。

這些中子在靶站內經過液態氫或水慢化後，速度從每秒幾萬公里降到每秒幾百到幾千米，之後向四面八方飛散。

圍繞靶站，中國散裂中子源已建成了3條中子譜儀：通用粉末衍射儀、小角衍射儀和多功能反射儀。

譜儀就是引出中子束並通過不同的方法利用中子探測物質微觀結構和運動的儀器。不同的譜儀工作原理各異，應用領域，範圍也不盡相同。

譜儀具體如何探測物質結構呢？以通用粉末衍射儀爲例，中子束流照射在樣品後，部分中子向各方向散射開，譜儀會記錄這些散射中子的方向，以及各個方向上有多少中子。在中子的波長與樣品微觀上週期排列的原子間的距離滿足一定關係時，一些方向的散射中子數量會顯著增加，材料的不同原子結構會讓中子以不同方式散射。利用記錄的散射到不同方向中子的“蛛絲馬跡”，人們可以反推材料的微觀結構。

這個過程與X射線研究微觀結構有異曲同工之處，使用相似波長的中子和X射線。神奇的是，這兩種探測手段在許多方面剛好優勢互補，相輔相成。

譬如X光是探測重元素（如金、鉛）的利器，對輕元素卻不太敏感。而中子束剛好對探測氫、碳等輕元素效果甚佳，並且可以區分同位素。

利用中國散裂中子源發表的第一篇實驗成果論文，就是在通用粉末衍射儀上研究鋰電池的正極材料的微觀結構。在原子層面對鋰電池材料和工作機制的深入研究，有助於科學家開發更高容量、更安全的鋰電池。

作爲國之重器，中國散裂中子源正在發揮越來越重要的作用。

文 圖 吳虞

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