什么是散裂中子源

什么是散裂中子源?

   当一个中等能量的质子打到重核（钨、汞等元素）之后会导致重核的不稳定而“蒸发”出20-30个中子，这样重核“裂开”并向各个方向“发散”出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源。

CSNS是什么
　　像一台“超级显微镜”
　　散裂中子源是什么？首先，“散裂”是当一个高能质子轰击重原子核时，一些中子被轰击出来的过程，如同一个垒球用力投到装满球的筐中，有一些球会立刻蹦出来，而更多的球则会弹跳并翻出筐外一样。
　　其次，中子是组成物质的基本粒子之一，它和X射线一样，都是人类探索物质微观结构的有力手段。然而在物理和生物材料领域，科学家们希望有一种强亮度的中子源，能像X射线一样拍摄到材料的微观结构，探索原子和分子的运动规律，就像我们希望能够在黑暗中有一盏明灯，照亮阅读中的书籍那样。
　　这时，散裂中子源就产生了，它是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶，引起金属原子的散裂反应，释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流，中子慢化后与样品发生散射，最后由中子散射谱仪接收。科学家们就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征，供科学和工业研究用。通俗一点来说，散裂中子源就像一台“超级显微镜”一样，可以研究ＤＮＡ、结晶材料、聚合物等物微观结构。
 

散裂中子源简单介绍：

中子的发现及其应用是二十世纪最重要的科技成就之一。中子诱发核裂变的发现导散裂中子源致了核武器和核能源的开发。中子是研究物质结构和动力学性质的理想探针，中子散射技术已在很多基础学科中如凝聚态物理（固体和液体），化学（特别是高分子化学），生物工程，生命科学，材料科学（特别是纳米材料科学）等多学科领域的研究中被广泛采用。中子生产的人工放射性同位素、中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照加工等等，已被广泛应用于医疗和工业，并产生了巨大的经济效益。 　　

展望21世纪中子科学装置的主流发展趋势，一是高通量研究性反应堆，另一是散裂中子源。高通量反应堆的源强要达到 1 ×1015/cm2.s，散裂中子源束功率要达到兆瓦量级。这两类中子源的特点和优势互相补充，成为材料、生物、生命、核物理等学科研究不可缺少的工具，为相关尖端技术如纳米、信息、环境、医药等的发展提供创新的平台。 　　

兆瓦级的多用途脉冲散裂中子源是当前世界上中子源发展趋势，它为21世纪前沿科学发展作出的贡献不可估量。它不但是为物理、化学、生物、材料等基础研究课题服务的中子散射的大科学平台，也可以成为为核物理、天体物理、核医学、核化学、能源工业和国防建设服务的大科学平台。

散裂中子源已那项目：

1、20世纪70年代初，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室（LANL）的LAMPF强流质子直线加速器，是世界第一台散裂中子源 。 　　

2、1977年，美国LANL又在LAMPF后面建立了一个储存环，将LAMPF输出的质子束转化为中子束以产生脉冲中子源。 　　

3、20世纪80年代，美国ANL的IPNS和日本KEK的KENS。 　　

4、1985年，英国卢瑟福实验室建成ISIS环形加速器，能量为800MeV，平均流强为200A，是迄今为止世界上最强的脉冲散裂中子源。

5、2011年，中国首座散裂中子源落户东莞。

散裂中子的技术应用：

21世纪，中子作为研究物质微观结构的一个理想探针将在基础研究领域发挥重要的作用。散裂中子源与高通量研究性反应堆，也将在21世纪最有生命力、最活跃的学科，如材料科学、生命科学和一些工程技术应用领域，继续发挥它的重要作用。在人们解出基因结构后，蛋白质与生物大分子联合体的结构与功能便成为生命科学的主要挑战之一。中子是确定蛋白结构中氢原子位置的最有力的方法，为理解蛋白功能及药物设计提供不可缺少的信息。

工程材料、金属疲劳、氢化、腐蚀、形变每年造成上万亿元的损失和无数严重事故。高通量中子能穿透一切金属体，为理解材料的这种变化的机理，以找出合格的新工程材料及新工艺有了可能。美国一飞机制造公司化上百万美元将发动机装上脉冲中子源的谱仪，在发动机运转时实时测定机件材料的疲劳过程和改进。 　　

比铁重的重元素的合成，主要来源于中子俘获，即它吃掉一个中子放出一个光子，原子序数不变，但质量数增加一位。这个过程可以不断地进行，它还要继续吃中子，当然还要经过beta衰变。从铁开始，到锕系核，这些核素的产生都是这样形成的。要模拟这样一个过程，必须知道大量的中子俘获截面准确数据，用其他的中子源开展这方面的测量很困难，或者说不可能。因为有一些截面很小，作用几率很低。有一些核素它的同位素样品，制备起来很困难，所以样品量很小，用一般低强度的中子源无法进行实验，只能用高通量堆或散裂中子源来做实验。 　　

中子和核子的相互作用，或者说中子和靶核的相互作用都是强相互作用。如果用质子打靶去做研究，因为有库仑位垒的关系，理论描述非常复杂，而用中子打靶去做研究，描述就非常简化。所以用中子开展这类实验，可以非常清晰地获取强相互作用的有关信息，非常有意义。 　　

核物理学科和天体物理学科的交叉研究形成了新的学科——核天体物理学，该学科主要研究恒星元素的形成以及它的丰度分布，中子核反应有若干参数在其中起着至关重要的作用。高通量堆及兆瓦的散裂中子源能提供的源强，可以用来研究一些极其罕见的稀有的事件。以非常低的样品量来开展这方面的研究工作，有很大的实际意义，如天体物理研究用到的一些参数非常重要，要做这种参数的测量，同位素的样品的制备极为不易，样品量不可能高，如果采用强流中子科学装置，就有可能只使用纳克量级的样品量就能完成研究工作。 　　

氚是重要的军用核材料，一台功率为5 MW的质子加速器驱动的散裂中子源可以有年产60克氚的能力。一个50～100kW束功率的加速器有年生产2公斤钚的能力。航天器件的空间辐照效应已经成为影响卫星寿命的主要因素之一，用加速器进行空间辐照效应的模拟是唯一的地面实验方法，一个中能的质子加速器可以在这方面发挥重要的作用。 　　美国Los Alamos 国家实验室正在运行的中等水平的散裂中子源（LANSCE）上有一个以武器中子研究（WNR）命名的实验终端。它在禁试情况下为保持核威慑力量而进行的相关研究中扮演着重要的角色。 　　

兆瓦级级中能强流质子加速器还可作为开展洁净核能源（ADS）相关的物理及技术研究的一个台阶，强流中子束有可能将核反应堆产生的长寿命放射性同位素转变为短寿命和稳定同位素，变核废料为核原料，开发新核能源。 　　

在其他重要应用领域，如中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照育种、中子探伤、中子照相、中子测井等等，广泛地服务于像国家安全、资源勘测、环境监测、农业增产等等领域都产生了不可估量的社会效应。