■小溪/文
■马力/审校
一则“中国散裂中子源首次打靶成功”的新闻报道近日刷了屏(扩展阅读：中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流)。“散裂中子源”一时成了热搜词。
将这个热词加上两个分割点：“散裂·中子·源”，先说说“中子”的故事，中子是英国物理学家查德威克1932年发现的，这不仅是原子核内部结构研究的一个重要里程碑，也为后来人类利用核能打下了极为重要的基础，可以说，是“中子”敲开了人类进入核能时代的大门。【扩展阅读：是谁敲开了那扇神秘的门？】
这次只用一个分割点：“散裂·中子源”，简单介绍一下“中子源”。
发现了中子，科学家们就要想办法用中子来做实验，“中子源”是指能释放出中子的装置。最早期，科学家们只能用放射性同位素中子源来做实验，后来发展为用低能粒子加速器产生带电粒子束轰击靶，通过核反应来产生中子，再以后发展为反应堆中子源、散裂中子源。
不同种类中子源的设备规模、中子能量、通量有很大差别，但这些装置分别是在物理、工程、医药、核武器、石油勘探、生物、化学、核动力和工业等领域有着不同应用的利器，各有各的优势，可谓利器辈出，各领风骚。
放射性同位素中子源
这类中子源将可以自发发射α射线的元素与靶物质混合在一块，靶物质吸收一个α射线粒子即可放射出一个中子，通过这种反应产生中子。其优点是中子源非常微小，用起来比较方便，但缺点也很明显，这种中子源的强度达不到太高，即中子注量率非常低，同时，这种中子源通常受到寿命的限制，随着时间的推移其源强逐渐衰减，这些缺陷影响和限制了它的使用。
低能粒子加速器
20世纪，用于中子核物理研究的主要工具是用低能粒子加速器(能量小于108 eV)产生的带电粒子束轰击靶，通过核反应来产生中子。其特点是能量单一、脉冲性能比较好，这对于精密的核物理实验非常重要。缺点是中子的注量相对较低，中子产生效率较低，不太经济。例如用400 keV的氘反应来产生中子，每产生一个中子，要消耗104 MeV的能量。因此，低能加速器中子源不适合用于生产同位素、生产核材料。
反应堆中子源
反应堆中子源应用十分广泛。一般情况下反应堆中子源所能提供的中子注量率(单位时间内的中子注量，也称中子通量密度)为1013-14n/cm2.s(n代表中子)。20世纪90年代之后，国际上已有高通量研究性反应堆，中子注量率可以达到1015n/cm2.s，一些大型的快堆可达5×1015n/cm2.s，接近反应堆中子源受材料及热工（工业自动化仪表及控制）限制的极限，已是相当强的中子源。由于反应堆散热技术的限制，反应堆提供的中子通量很难超过美国高通量堆达到的最高指标3×1015n／cm2.s。
散裂中子源
散裂中子源的出现突破了反应堆中子源中子通量的极限。当快速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，在核反应中被称为散裂。散裂反应和裂变反应的不同是：它不释放那么高的能量，但它可以将一个原子核打成几块，可能是三块，也可能是四块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等产物，对开展核物理前沿课题研究和应用研究非常有用，且所产生的中子还会在相临的靶核上继续通过核反应产生中子——即核外级联。一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。
核外级联示意图(图片来自网络)
20世纪80年代起，质子加速器驱动的散裂中子源逐渐地进入实际应用阶段。其原理比较简单，用中能强流质子加速器产生1 GeV左右的中能质子(束功率为MW量级)轰击重元素靶(如铅、钨或者铀、钍重靶)，在靶中产生散裂反应，具有高有效中子通量、无放射性核废料等特征。
散裂中子源的优势是在比较小的体积内可产生比较高的中子通量，每个中子能量沉积比反应堆低4-8倍，单位体积的中子强度比裂变堆高4-8倍，可用较低功率产生与高通量堆相当或更高的平均中子通量。想要达到1×1015n/cm2.s的平均中子通量率，散裂中子源需5 MW束功率，而高通量反应堆则需60 MW束功率。
散裂中子源的脉冲特性是由加速器所决定的，因此它的脉冲化对于中子通量并不造成损失，如配上飞行时间技术(通过测量粒子飞过给定飞行距离的时间来决定粒子速度)可以具有很高的时间分辨性能，对于开展材料和生命科学领域，包括一些中子核物理以及一些动态特性的研究极为关键。
散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从eV，到几百MeV宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓宽了中子科学研究领域。发达国家将建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要措施。
世界第一台散裂中子源是美国Los Alamos国家实验室于20世纪70年代初建造的LAMPF强流质子直线加速器。1977年，在LAMPF的后面又加了一个质子储存环，将LAMPF输出的质子束转化为中子束以产生脉冲中子源。
20世纪80年代前后，真正确立了质子加速器在脉冲散裂中子源中的地位。第一代散裂中子源显示出巨大优越性和推动了很多学科的发展。例如，英国卢瑟福实验室在散裂中子源ISIS上每年发表的高水平学术论文达500篇左右。这些成就激励了科学家产生获得更高通量的脉冲中子的愿望。
20世纪90年代开始，出于21世纪在交叉学科领域中应用的强烈需求，并因质子强流加速器技术在近二十几年的逐渐成熟，对已建成的散裂中子源进行改进，增加其输出功率，以及建造新一代更大功率的脉冲中子源(1-5 MW级)被正式提上日程。
新一代散裂中子源由强流质子加速器、靶站和中子谱仪群组成。强流质子加速器产生的强流质子束除供给散裂中子源的靶站使用外，还可以用于核物理，核化学，核医学等多学科核科学大平台使用。新一代强脉冲散裂中子源的出现推动了相关的前沿及交叉学科发展，同时也大大扩展了散裂中子源的应用范围。
中国散裂中子源
由中国科学院和广东省人民政府在东莞共同建设的中国散裂中子源CSNS(总投资约23亿元)于2011年动工，工程建设周期6.5年。2017年8月28日，CSNS首次打靶成功获得中子束流，2018年，CSNS将正式开始运行。作为发展中国家拥有的第一台散裂中子源，CSNS束流功率为100 kW，有效中子通量将超过英国散裂中子源ISIS目前所达到的水平。
CSNS整个装置建在13米到18米的地下，工程主要建设内容包括1台80 MeV的负氢离子直线加速器、1台1.6 GeV快循环质子同步加速器及其前后两条束流传输线、1个靶站、首批建设的3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。
中国散裂中子源CSNS鸟瞰图(图片来自网络)
CSNS奠基(图片来自网络)
CSNS直线加速器(图片来自网络)
CSNS快循环同步加速器(图片来自网络)
CSNS靶站(图片来自网络)
CSNS小角散射谱仪的主探测器(图片来自网络)
CSNS首次打靶成功，工程建设人员合影(图片来自网络)
CSNS在加速器、靶站和谱仪等各方面采用了一系列世界先进的设计和技术，可以满足我国在多学科领域对中子散射研究的强劲需求。CSNS将为物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研、新型核能开发等学科前沿领域的基础研究与高新技术开发研究，提供一个先进、功能强大的大科学研究平台，并将跻身世界四大脉冲散裂中子源行列(还有美国的SNS、日本的J-PARC、英国的ISIS)，从而大幅提升中国基础研究和高技术的水平，缩短中国在相关领域与世界前沿30年的差距。
扩展阅读■英国散裂中子源ISIS
英国的卢瑟福实验室于1985年建成散裂中子源ISIS。ISIS利用直线加速器将负氢离子加速到70 MeV，注入快循环同步加速器后将质子进一步加速到800 MeV轰击钨靶，产生通量为8×1015/cm2.s的脉冲中子，其脉冲中子通量高出通量最高的反应堆近一个量级。直到2007年，ISIS一直是世界上亮度最高的散裂中子源，ISIS提供中子和缪子束流，每年支持世界上约1600余名科学家开展物理、化学、材料科学、地质学、工程和生物学的研究。
ISIS的升级改造总投资约3亿美元，包括将质子加速器束流功率从160 kW提升到240 kW并建设第二靶站。第二靶站从质子加速器提供的每秒50个脉冲中得到10个脉冲，束流功率为48 kW，适合开展基于长波中子的研究。
英国散裂中子源ISIS全景(图片来自网络)
ISIS第一靶站(图片来自网络)
ISIS 2008年秋开始运行的第二靶站(图片来自网络)
■美国散裂中子源SNS
美国以橡树岭国家实验室为主的数个核科学国家实验室合作建造了一台质子束流功率为1.4 MW的散裂中子源SNS，质子直线加速器的能量为1 GeV，累积环周长220.7米。在累积环内形成的单脉冲(约0.5s)被输运到靶系统，60 Hz的超短脉冲、高能量、高平均束流功率的质子转化成极强的短脉冲(10 μs左右)中子束，中子通量达1017/cm2.s。
SNS总投资约14亿美元，通过7年多的紧张建设，2006年4月28日产出第一束中子，至2007年8月，束流功率160 kW。经一段时间试运行，2009年9月18日束流功率达到1 MW，是世界上首个束流功率达到MW量级的脉冲散裂中子源。SNS的新谱仪建设和升级正按计划进行。
美国散裂中子源SNS全景(图片来自网络)
SNS靶站（图片来自网络）
■日本散裂中子源J-PARC/JSNS
日本原子能研究所与日本高能加速器研究机构合建的强流质子加速器研究联合装置J-PARC已于2009年投入运行，总投资约18亿美元。它由一台直线加速器、一台3 GeV的快循环同步加速器和一台50 GeV的同步加速器构成。直线加速器提供能量为400 MeV的束流，可注入到3 GeV的同步加速器中，还可再用其后的超导直线加速器将能量提高到600 MeV，用于核废物处理等。
3 GeV的快循环同步加速器可提供最高1 MW的质子束流给材料及生命研究装置MLF(包括散裂中子源JSNS和μ子源MUSE)，还可作为50 GeV的同步加速器的注入器。
日本强流质子加速器J-PARC全景(图片来自网络)
J-PARC设施示意图(图片来自网络)
参考资料
1、中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流，
http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2017/201708/t20170831_4853758.html
2、21世纪科学前沿的重要研究平台——散裂中子源，
http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/jsq/200907/t20090723_2160263.html
3、国际上的散裂中子源，
http://csns.ihep.ac.cn/kepuyuandi/guojisanlie.html
4、探索微观世界的利器散裂中子源，
http://www.kepu.net.cn/gb/special/slzzyzhuanti/
5、“超级显微镜”跻身世界四大散裂中子源，
http://tech.ce.cn/news/201411/03/t20141103_3833781.shtml
6、中科院院士陈和生详细解读中国散裂中子源，
http://www.chinanews.com/gn/2011/10-20/3403187.shtml
7、方守贤，强流质子加速器的重大应用，中国物理学会粒子加速器学会会员代表大会暨成立20周年学术报告会 , 2000年返回搜狐，查看更多