什么是散裂中子源?

?? 當(dāng)一個(gè)中等能量的質(zhì)子打到重核（鎢、汞等元素）之后會(huì)導(dǎo)致重核的不穩(wěn)定而“蒸發(fā)”出20-30個(gè)中子，這樣重核“裂開(kāi)”并向各個(gè)方向“發(fā)散”出相當(dāng)多的中子，大大提高了中子的產(chǎn)生效率，按這種原理工作的裝置稱為散裂中子源。

CSNS是什么
　　像一臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”
　　散裂中子源是什么？首先，“散裂”是當(dāng)一個(gè)高能質(zhì)子轟擊重原子核時(shí)，一些中子被轟擊出來(lái)的過(guò)程，如同一個(gè)壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會(huì)立刻蹦出來(lái)，而更多的球則會(huì)彈跳并翻出筐外一樣。
　　其次，中子是組成物質(zhì)的基本粒子之一，它和X射線一樣，都是人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力手段。然而在物理和生物材料領(lǐng)域，科學(xué)家們希望有一種強(qiáng)亮度的中子源，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)，探索原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就像我們希望能夠在黑暗中有一盞明燈，照亮閱讀中的書(shū)籍那樣。
　　這時(shí)，散裂中子源就產(chǎn)生了，它是用來(lái)自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應(yīng)，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強(qiáng)的中子束流，中子慢化后與樣品發(fā)生散射，最后由中子散射譜儀接收。科學(xué)家們就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測(cè)物體的微觀特征，供科學(xué)和工業(yè)研究用。通俗一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，散裂中子源就像一臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”一樣，可以研究ＤＮＡ、結(jié)晶材料、聚合物等物微觀結(jié)構(gòu)。
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散裂中子源簡(jiǎn)單介紹：

中子的發(fā)現(xiàn)及其應(yīng)用是二十世紀(jì)最重要的科技成就之一。中子誘發(fā)核裂變的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)散裂中子源致了核武器和核能源的開(kāi)發(fā)。中子是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針，中子散射技術(shù)已在很多基礎(chǔ)學(xué)科中如凝聚態(tài)物理（固體和液體），化學(xué)（特別是高分子化學(xué)），生物工程，生命科學(xué)，材料科學(xué)（特別是納米材料科學(xué)）等多學(xué)科領(lǐng)域的研究中被廣泛采用。中子生產(chǎn)的人工放射性同位素、中子活化分析、中子摻雜生產(chǎn)半導(dǎo)體器件、中子輻照加工等等，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和工業(yè)，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 　　

展望21世紀(jì)中子科學(xué)裝置的主流發(fā)展趨勢(shì)，一是高通量研究性反應(yīng)堆，另一是散裂中子源。高通量反應(yīng)堆的源強(qiáng)要達(dá)到 1 ×1015/cm2.s，散裂中子源束功率要達(dá)到兆瓦量級(jí)。這兩類中子源的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)互相補(bǔ)充，成為材料、生物、生命、核物理等學(xué)科研究不可缺少的工具，為相關(guān)尖端技術(shù)如納米、信息、環(huán)境、醫(yī)藥等的發(fā)展提供創(chuàng)新的平臺(tái)。 　　

兆瓦級(jí)的多用途脈沖散裂中子源是當(dāng)前世界上中子源發(fā)展趨勢(shì)，它為21世紀(jì)前沿科學(xué)發(fā)展作出的貢獻(xiàn)不可估量。它不但是為物理、化學(xué)、生物、材料等基礎(chǔ)研究課題服務(wù)的中子散射的大科學(xué)平臺(tái)，也可以成為為核物理、天體物理、核醫(yī)學(xué)、核化學(xué)、能源工業(yè)和國(guó)防建設(shè)服務(wù)的大科學(xué)平臺(tái)。

散裂中子源已那項(xiàng)目：

1、20世紀(jì)70年代初，美國(guó)洛斯·阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的LAMPF強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器，是世界第一臺(tái)散裂中子源 。 　　

2、1977年，美國(guó)LANL又在LAMPF后面建立了一個(gè)儲(chǔ)存環(huán)，將LAMPF輸出的質(zhì)子束轉(zhuǎn)化為中子束以產(chǎn)生脈沖中子源。 　　

3、20世紀(jì)80年代，美國(guó)ANL的IPNS和日本KEK的KENS。 　　

4、1985年，英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室建成ISIS環(huán)形加速器，能量為800MeV，平均流強(qiáng)為200A，是迄今為止世界上最強(qiáng)的脈沖散裂中子源。

5、2011年，中國(guó)首座散裂中子源落戶東莞。

散裂中子的技術(shù)應(yīng)用：

21世紀(jì)，中子作為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一個(gè)理想探針將在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。散裂中子源與高通量研究性反應(yīng)堆，也將在21世紀(jì)最有生命力、最活躍的學(xué)科，如材料科學(xué)、生命科學(xué)和一些工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，繼續(xù)發(fā)揮它的重要作用。在人們解出基因結(jié)構(gòu)后，蛋白質(zhì)與生物大分子聯(lián)合體的結(jié)構(gòu)與功能便成為生命科學(xué)的主要挑戰(zhàn)之一。中子是確定蛋白結(jié)構(gòu)中氫原子位置的最有力的方法，為理解蛋白功能及藥物設(shè)計(jì)提供不可缺少的信息。

工程材料、金屬疲勞、氫化、腐蝕、形變每年造成上萬(wàn)億元的損失和無(wú)數(shù)嚴(yán)重事故。高通量中子能穿透一切金屬體，為理解材料的這種變化的機(jī)理，以找出合格的新工程材料及新工藝有了可能。美國(guó)一飛機(jī)制造公司化上百萬(wàn)美元將發(fā)動(dòng)機(jī)裝上脈沖中子源的譜儀，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)定機(jī)件材料的疲勞過(guò)程和改進(jìn)。 　　

比鐵重的重元素的合成，主要來(lái)源于中子俘獲，即它吃掉一個(gè)中子放出一個(gè)光子，原子序數(shù)不變，但質(zhì)量數(shù)增加一位。這個(gè)過(guò)程可以不斷地進(jìn)行，它還要繼續(xù)吃中子，當(dāng)然還要經(jīng)過(guò)beta衰變。從鐵開(kāi)始，到錒系核，這些核素的產(chǎn)生都是這樣形成的。要模擬這樣一個(gè)過(guò)程，必須知道大量的中子俘獲截面準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，用其他的中子源開(kāi)展這方面的測(cè)量很困難，或者說(shuō)不可能。因?yàn)橛幸恍┙孛婧苄。饔脦茁屎艿汀Ｓ幸恍┖怂厮耐凰貥悠罚苽淦饋?lái)很困難，所以樣品量很小，用一般低強(qiáng)度的中子源無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能用高通量堆或散裂中子源來(lái)做實(shí)驗(yàn)。 　　

中子和核子的相互作用，或者說(shuō)中子和靶核的相互作用都是強(qiáng)相互作用。如果用質(zhì)子打靶去做研究，因?yàn)橛袔?kù)侖位壘的關(guān)系，理論描述非常復(fù)雜，而用中子打靶去做研究，描述就非常簡(jiǎn)化。所以用中子開(kāi)展這類實(shí)驗(yàn)，可以非常清晰地獲取強(qiáng)相互作用的有關(guān)信息，非常有意義。 　　

核物理學(xué)科和天體物理學(xué)科的交叉研究形成了新的學(xué)科——核天體物理學(xué)，該學(xué)科主要研究恒星元素的形成以及它的豐度分布，中子核反應(yīng)有若干參數(shù)在其中起著至關(guān)重要的作用。高通量堆及兆瓦的散裂中子源能提供的源強(qiáng)，可以用來(lái)研究一些極其罕見(jiàn)的稀有的事件。以非常低的樣品量來(lái)開(kāi)展這方面的研究工作，有很大的實(shí)際意義，如天體物理研究用到的一些參數(shù)非常重要，要做這種參數(shù)的測(cè)量，同位素的樣品的制備極為不易，樣品量不可能高，如果采用強(qiáng)流中子科學(xué)裝置，就有可能只使用納克量級(jí)的樣品量就能完成研究工作。 　　

氚是重要的軍用核材料，一臺(tái)功率為5 MW的質(zhì)子加速器驅(qū)動(dòng)的散裂中子源可以有年產(chǎn)60克氚的能力。一個(gè)50～100kW束功率的加速器有年生產(chǎn)2公斤钚的能力。航天器件的空間輻照效應(yīng)已經(jīng)成為影響衛(wèi)星壽命的主要因素之一，用加速器進(jìn)行空間輻照效應(yīng)的模擬是唯一的地面實(shí)驗(yàn)方法，一個(gè)中能的質(zhì)子加速器可以在這方面發(fā)揮重要的作用。 　　美國(guó)Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行的中等水平的散裂中子源（LANSCE）上有一個(gè)以武器中子研究（WNR）命名的實(shí)驗(yàn)終端。它在禁試情況下為保持核威懾力量而進(jìn)行的相關(guān)研究中扮演著重要的角色。 　　

兆瓦級(jí)級(jí)中能強(qiáng)流質(zhì)子加速器還可作為開(kāi)展?jié)崈艉四茉矗?a target="_blank">ADS）相關(guān)的物理及技術(shù)研究的一個(gè)臺(tái)階，強(qiáng)流中子束有可能將核反應(yīng)堆產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命放射性同位素轉(zhuǎn)變?yōu)槎虊勖头€(wěn)定同位素，變核廢料為核原料，開(kāi)發(fā)新核能源。 　　

在其他重要應(yīng)用領(lǐng)域，如中子活化分析、中子摻雜生產(chǎn)半導(dǎo)體器件、中子輻照育種、中子探傷、中子照相、中子測(cè)井等等，廣泛地服務(wù)于像國(guó)家安全、資源勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)等等領(lǐng)域都產(chǎn)生了不可估量的社會(huì)效應(yīng)。