散裂中子源(产生中子的装置)

散裂中子源（英语：spallation neutron source，简称SNS），用能量几百MeV到GeV量级轻带电粒子轰击重元素靶核，引起散裂反应产生中子的中子源。散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源，能为中子散射提供高通量的脉冲中子。

1920年，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）首次提到原子核里中性子的概念。1932年，英国物理学家詹姆斯·詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在让·约里奥－居里夫妇（F. Joliot-Curie and I. Joliot-Curie）工作的基础上通过进一步的实验，发现了中子。20世纪80年代起，由质子加速器驱动的散裂中子源，逐渐进入实际应用阶段。英国卢瑟福实验室名为ISIS的散裂中子源装置，从上世纪八十年代建成一直到2007年，一直是世界上亮度最高的散裂中子源。到二十世纪九十年代，美、日、欧等发达国家相继提出建设束流功率为兆瓦量级的散裂源。截至2024年初，全球已建成的4个散裂中子源装置分别为美国的SNS、日本的J-PARC 、英国的ISIS和中国的CSNS。

散裂中子源的特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广，大大扩展了中子科学研究的范围；它具有高脉冲通量和优越的脉冲时间结构，且不使用核燃料，只产生极少量活化产物等独特优点。散裂中子源在日常生活中应用广泛，包括结晶材料、医药/结构生物学、磁学和超导、复杂流体和聚合物等多个领域。此外，CSNS的1.6 GeV高能质子束流在航天设备测试和粒子探测器测试方面都有重要应用。

历史沿革

发现中子

1920年，欧内斯特·卢瑟福在皇家学会贝克里安讲座的演讲中提出：也许在原子核这样微小的范围内，多余的质子吸引了核外电子，形成了一种质量与质子相近的中性粒子。由于当时实验中用的粒子是利用镭的自然衰变产生的，能量不高，始终无法击碎原子核。在有了粒子加速器后，也因当时的加速器能量不够高，轰击原子核的尝试一直没能取得大进展，原子核的神秘大门并未打开。1932年，让·约里奥－居里用铍射线轰击石蜡和其他含氢物质，观察到石蜡中放射出一种强粒子流。然而，约里奥居里夫妇没有深究，把这一现象解释为γ射线对质子产生康普顿散射，最终与发现中子失之交臂。詹姆斯·查德威克（James Chadwick）根据约里奥-居里夫妇的实验，敏锐地觉察到铍辐射绝不是γ辐射，很可能是由铍中射出的新的粒子组成的。1932年，詹姆斯·查德威克在约里奥-居里夫妇工作的基础上通过进一步的实验，发现了中子。

中子散射应用

自1936年人们成功地进行了首次中子衍射实验以来，中子散射已应用到物理、化学、材料、生物、地质、能源、医疗卫生和环境保护等众多研究领域。1946年，美国沙尔（Clifford G. Shull）教授用中子衍射研究磁性材料。他用中子衍射技术显示氢原子在晶体中的位置，可更全面地了解许多无机化合物和有机物质的晶体结构。沙尔研究了中子磁矩与顺磁物质中原子磁矩发生的散射，推动了磁结晶学的发展。他还研究了极化慢中子辐射的应用，发明了中子干涉系统，为研究中子与物质之间相互作用而产生的各种基本效应提供了极其灵敏的工具。

1955年，加拿大布罗克豪斯（Bertram N. Brockhouse）教授用中子散射研究晶格动力学。他致力于中子非弹性散射技术的研究，在原有的单轴和二轴中子谱仪的基础上设计了三轴谱仪，得到了广泛的应用，已经成为研究凝聚态物理的基本工具，几乎大多数从事凝聚态物理研究的中子束反应堆实验室都拥有这一设备。沙尔和布罗克豪斯教授因他们在中子散射领域内的开拓性工作，获得1994年度诺贝尔物理学奖。

散裂中子源发展

20世纪80年代起，由质子加速器驱动的散裂中子源，逐渐进入实际应用阶段。其原理比较简单，用高能强流质子加速器，产生1GeV左右的质子轰击重元素靶（如钨或），在靶中产生散裂反应。散裂中子源的特点是在比较小的体积内可产生比较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广，大大扩展了中子科学研究的范围。英国卢瑟福实验室的ISIS，从上世纪八十年代建成一直到2007年，一直是世界上亮度最高的散裂中子源，其脉冲中子通量已高出通量最高的反应堆近一个量级。到二十世纪九十年代，美、日、欧等发达国家开始认识到能提供更高中子通量和更高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，相继提出建设束流功率为兆瓦量级的散裂源。

2001年2月18日，中国科学技术部召开以《21世纪中子科学的发展》为主题的香山科学会议，专家提出在中国建设散裂中子源的设想。2005年7月19日，中国散裂中子源项目获批。2007年2月13日，中国科学院与广东省政府签署合作备忘录，双方共同向国家申请在东莞市建设散裂中子源装置。同年4月26日，东莞中子科学中心在松山湖科技产业园正式挂牌。2011年10月20日，中国散裂中子源在东莞举行工程奠基典礼，正式开工建设。2017年8月16日至9月13日，中国散裂中子源（CSNS）低温系统进行了为期4周的首轮运行，期间经历了首次打靶。2018年8月23日，中国散裂中子源项目顺利通过国家验收，投入正式运行。2019年2月2日，小行星3789散裂中子源完成首轮开放运行任务。2023年1月11日，中国散裂中子源二期工程可行性研究报告获批。该工程建于东莞市、计划于2024年开工。

原理

散裂中子源由质子加速器、产生中子的靶站和中子散射谱仪等三部分组成。散裂中子源的原理是利用质子加速器产生的高能质子，轰击重元素靶，将重金属的原子核打碎发生散裂，产生高通量、短脉冲中子，当中子束流入射到样品被散发出来，由靶站周围的谱仪接收，科研人员可以通过中子能量和动量的变化，从而获得样品结构信息。

质子加速器是用于加速质子的仪器，它是用人工方法使带电粒子(质子) 在电场中加速到需要的能量，并产生一定质子束流的装置。靶站是产生中子的核心装置，通常是由重金属靶、慢化器、反射体、冷却系统和生物屏蔽体等部分组成。作为产生中子的关键部件，除要求其中子产额高外，重金属靶还必须有良好的导热、抗腐蚀和抗辐射损伤等性能，同时还尽可能避免产生长半衰期同位素，以保证装置稳定、高效、长期地安全运行。中子散射谱仪是一种能深入研究材料内部结构和运动等性质的测量仪器。中子散射谱仪按其探测中子物理量的变化可分为两类：弹性散射谱仪和非弹性散射谱仪。弹性散射谱仪主要研究物质中原子、分子等的位置，即结构信息。非弹性散射谱仪主要研究物质中原子、分子等是如何运动的，即动力学过程。

特点

散裂中子源的特点是在较小的体积内可产生较高的脉冲中子通量，能提供的中子能谱更加宽广，大大扩展了中子科学研究的范围；它具有高脉冲通量和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独特优点。同时，散裂中子源也存在造价高、技术复杂，中子探测起来困难，实验的难度高的缺点。

优点

高脉冲中子通量：有效脉冲中子通量可比反应堆高几个量级。

丰富的高能短波中子：中子慢化器中释放的超热中子与反应堆相比高出1～3个数量级，为高动量和高能量转移的中子散射提供了保证。

优越的脉冲时间结构：短脉冲散裂中子源的脉冲宽度在微秒量级，相临脉冲的时间间隔在毫秒量级。中子谱仪可方便地采用飞行时间技术，大幅度地提高了热中子的利用效率。

低热功率：现代散裂中子源的束流功率从百千瓦到兆瓦不等，但均远小于反应堆的十至几十兆瓦。散裂源每产生一个中子释放约45MeV的热量，而反应堆则需释放180MeV的热量。　　

低本底：仅在脉冲产生时存在快中子本底，大幅度地提高了中子散射数据的信噪比。

不使用核燃料：散裂中子源是通过加速器加速质子轰击重金属靶产生中子，不需要核燃料，没有核临界问题。

活化产物少：与反应堆相比，散裂中子源产生的活化产物数量少三到四个量级。

缺点

造价高：散裂中子源的造价比较高，日本散裂中子源造价17亿美元，美国散裂中子源造价14亿美元。中国的散裂中子源国产化率超过了90%，造价为18亿元人民币。

技术复杂：散裂中子源装置是各种高、精、尖设备组成的复杂整体。

中子探测困难：由于中子本身不带电，不会引起电离和激发，无法进行直接探测。因此中子的探测是通过中子与敏感材料相互作用，产生带电粒子或光子实现间接探测。

实验的难度高：散裂中子源的关键核心设备为P波段大功率速调管，大功率速调管这种电真空器件，零部件数以百计，涉及多个学科领域。高通过率电子光路要求传输效率达到100%，所有零部件的安装精度要控制在20个微米之内，这个数值只有人头发丝直径的1/4。速调管的真空标准是标准大气压的千亿分之一。

应用领域

散裂中子源在日常生活中应用广泛，包括结晶材料、医药/结构生物学、磁学和超导、复杂流体和聚合物等多个领域。此外，CSNS的1.6GeV高能质子束流在航天设备测试和粒子探测器测试方面都有重要应用。

结晶材料

散裂中子源所提供的高通量中子可以扩展材料科学方面研究的范围。科学家们可以研究更小的样品，例如电子学器件（比如CD播放机等）的多层薄膜结构。这种结构可用于未来的电子器件中，以改进笔记本电脑、喷墨打印机、录像机和蜂窝式电话网络的性能。

散裂中子源每隔几分钟（甚至几秒钟）就可以提供一个完整的中子衍射图，使得研究人员能够对发生在蓄电池中的许多过程进行时间跟踪研究。科学家们可以在分子水平追踪物质的行为，比如蓄电池或燃料电池中的快速离子导体发生了怎样的变化；对石油和化学工业中的催化剂来说，温度变化对催化剂的影响是怎样的；旋转涡轮叶片升温和变形时，其晶体结构有怎样的变化；水泥吸水时，其微粒发生了怎样的变化；以及压力升高时，置于研究地质用的多砧压具里的土层材料又有怎样的变化。

医药/结构生物学

散裂中子源有助于研究酶的活性。将某块培养基掺入原子，利用中子散射技术，散裂中子源能够告诉科学家酶活性区域的位置，以及某种潜在药物黏附到该区域以阻止酶不良活动的可能性。利用散裂中子源的技术，中国自主研发出加速器硼中子俘获治疗（简称BNCT）实验装置，该实验装置为中国医用BNCT治疗装置产业化奠定了技术基础。它的原理是利用经过照射的中子与给病人注射的含硼药物进行反应，产生高杀伤力的α粒子和锂离子，精准“杀死”癌细胞。

磁学和超导

在磁学和超导方面，先进的散裂中子源能提供足够多的中子，由于中子具有磁矩，可以揭示其他任何方法所无法获取的材料磁性特征的详细情况。这些信息对于开发高密度记录介质，如盒式录音磁带、录像带、CD和计算机盘至关重要；在材料向超导状态过渡时，散裂中子源能提供的中子可以帮助科学家们控制磁性所起的作用，从而有助于了解高温超导体如何工作，如何能在相对高温时保持其超导性。懂得了这一点，就能生产出导电性更好的超导材料，并有可能改善高功率传输线和高磁场磁铁的性能。这些基本信息可应用于设计高速的电子学设备。

复杂流体

利用散裂中子源的高亮度中子束能够加速人造血液的开发；散裂中子源提供的信息还有助于生产用于食品加工和化妆品的胶囊；有助于控制微观流体的流动以提高润滑剂的性能；有助于合成添加剂，促进或阻止混合，以控制某些加工工艺；散裂中子源还可帮助研究人员了解弹性材料的结构（例如橡皮筋）与弹性的关系；散裂中子源有助于揭示不同分子结构对材料复杂行为的贡献，使我们深入了解如何生产出最有效的胶和涂料。

聚合物

利用散裂中子源，科学家们可以收集有关通讯光纤、用于小型化电机和发电机的金属玻璃（铁-硼）磁铁和可能用于蓄电池和燃料电池的离子导电玻璃方面更为详细的信息。散裂中子源将用来研究受污染的土壤和其他固化在玻璃里的核废料的长期稳定性。钴钛合金由于其生物学惰性，耐磨性和抗腐蚀性被用于医学植入，强中子束流有助于研究其整体性质及表面处理情况。

影响及危害

散裂中子源是一台大型射线装置，产生的辐射主要是瞬发性的。只要加速器一停机，辐射场随即消失，同时也不再引起空气、冷却水以及土壤的活化。散裂中子源通常安置在地下隧道内，周围用很厚的钢筋混凝土墙来屏蔽辐射。在屏蔽外，剂量水平远低于天然宇宙线产生的照射，大约只相当于宇宙射线对人体产生的剂量的1/10。即使工作人员，在工作场所5年所接受的剂量也仅与进行1次X射线胸透所接受的剂量相当。此外，散裂中子源还设计了严格的人身安全联锁系统，确保人身、环境安全。对中国散裂中子源建设可能带来的环境影响评价结果表明，中国散裂中子源运行时产生的中子、γ射线，以及少量放射性气体的排放，对场址边界外周围公众的年剂量水平大大低于国家标准GB18871规定的，对公众的剂量限值标准1mSv/a，能够保证公众成员的健康与安全。另外，中国散裂中子源运行过程中产生的臭氧等气体的浓度远远低于国家标准值，不会对周围环境产生不利的影响。在经济方面，散裂中子源在高性能芯片、电池、材料、应力检测等领域，为中国的高技术企业和研究机构提供了重要支撑。

靶区主要的维护设备是靶和靶室，高能质子束与其产生的次级粒子都会使靶区产生很强的辐射剂量，即使在停止运行的时候由于靶区材料被活化，使得整个靶区依然具有很强的感生放射性，会对设备维护和升级等工作造成困难。因此需要将靶区剩余剂量控制在规定的范围以内，以便于束线设备的临时维护。