背景資料
大科學(xué)裝置與散裂中子源
大科學(xué)裝置包括兩類(lèi)，一類(lèi)是面向單一學(xué)科的專(zhuān)用裝置，例如高能物理領(lǐng)域的加速器、天文領(lǐng)域的望遠(yuǎn)鏡、核聚變實(shí)驗(yàn)裝置等；另一類(lèi)是面向多學(xué)科的大型公用研究平臺(tái)，主要包括同步輻射裝置、散裂中子源等。其作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的“利器”互為補(bǔ)充、相得益彰：同步輻射，即高能電子加速器產(chǎn)生的高強(qiáng)度的X光，對(duì)電子結(jié)構(gòu)和重原子敏感；散裂中子源則對(duì)原子核和輕原子敏感。
中子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子，但要用它研究物理和生物材料，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們的“亮度”總是不夠。為此，科學(xué)家用高能質(zhì)子等快速粒子轟擊重原子核，使其中部分中子“散裂”出來(lái)，然后用中子束流瞄準(zhǔn)樣品，探測(cè)、計(jì)算得到散射中子的能量、散射角度及位置，進(jìn)而得到固體位置、運(yùn)動(dòng)、特性等信息。據(jù)悉，中子散射可幫助科學(xué)家了解從液態(tài)晶體到超導(dǎo)陶瓷、從蛋白質(zhì)到塑料、從金屬到膠粒等各種物質(zhì)特性的詳細(xì)情況。
中子散射技術(shù)已成為當(dāng)前研究物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)過(guò)程最重要的工具之一，在諸如凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物工程等領(lǐng)域被廣泛采用。特別是隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜、納米團(tuán)簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等研究體系成為研究的主要對(duì)象，這些物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元更大、樣品體積更小、結(jié)構(gòu)形態(tài)變化更快，為滿(mǎn)足這些科學(xué)與技術(shù)研究的需要，迫切需要建立散裂中子源這樣的科學(xué)平臺(tái)。目前中子散射技術(shù)已在生物、生命、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域發(fā)揮著X射線(xiàn)無(wú)法取代的作用，成為科學(xué)研究和新材料研發(fā)中必不可少的工具。同時(shí)，中子散射在磁性凝聚態(tài)物理、納米材料、高強(qiáng)度高性能塑料、蛋白質(zhì)和生物、高溫超導(dǎo)機(jī)理、同位素辨識(shí)、工業(yè)無(wú)損深度探傷、污染及廢料處理等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。
利用中子，首先必須有中子源。散裂中子源是世界中子源的主流發(fā)展方向，它與核反應(yīng)堆中子源相比具有許多獨(dú)特性能：高脈沖通量，豐富的高能短波中子，優(yōu)越的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)，低本底，且不使用核燃料，只產(chǎn)生極少量活化產(chǎn)物，等等。
近年來(lái)，隨著強(qiáng)流加速器技術(shù)的發(fā)展，百千瓦到兆瓦級(jí)束流功率的散裂中子源成為國(guó)際公認(rèn)的、新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。進(jìn)入21世紀(jì)，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)識(shí)到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要地位，紛紛把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措：
在美國(guó)，總投資14億美元、設(shè)計(jì)束流功率為1.4
兆瓦的散裂中子源(SNS)經(jīng)過(guò)7年建設(shè)現(xiàn)開(kāi)始調(diào)束，并于2006年4月28日產(chǎn)生出第一束中子，其升級(jí)工程同時(shí)啟動(dòng)；
在日本，總投資約18億美元的日本質(zhì)子加速器研究聯(lián)合裝置(J-PARC)正在建設(shè)中，建設(shè)周期約8年。其快循環(huán)同步加速器將提供1兆瓦的質(zhì)子束流用于驅(qū)動(dòng)散裂中子源；
在英國(guó)，對(duì)已成功運(yùn)行20余年的散裂中子源(ISIS)投資約3億美元進(jìn)行升級(jí)改造其質(zhì)子加速器，并正在積極建設(shè)ISIS的第二靶站；
亞洲鄰國(guó)韓國(guó)和印度，也正在積極籌建束流功率為百千瓦量級(jí)的散裂中子源：PEFP和ISNS。
重大基礎(chǔ)、前沿研究歷來(lái)是產(chǎn)生諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃。自1895年X射線(xiàn)被倫琴發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因X射線(xiàn)及其應(yīng)用領(lǐng)域中的研究而獲得的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就有7項(xiàng)，化學(xué)獎(jiǎng)有5項(xiàng)，醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)有2項(xiàng)；X射線(xiàn)的相關(guān)應(yīng)用，也已覆蓋與人類(lèi)生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。中子散射方面，沙爾和布羅克豪斯因分別利用中子散射研究磁結(jié)晶學(xué)及晶格動(dòng)力學(xué)，獲得了1994年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
散裂中子源不僅面向世界科學(xué)前沿，有力地提升我國(guó)基礎(chǔ)研究和高技術(shù)的水平，同時(shí)促進(jìn)我國(guó)在能源、國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。深海儲(chǔ)存有大量甲烷等有機(jī)可燃小分子的水合物，即所謂可燃冰，是有待開(kāi)發(fā)的一種新型能源。高壓下的中子衍射技術(shù)可用來(lái)研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)定條件，其研究成果將為安全、高效地開(kāi)采和利用可燃冰提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)散裂中子源項(xiàng)目發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)流質(zhì)子加速器，可用于航天器件輻照效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)研究。利用中子散射對(duì)工程材料和部件缺陷及應(yīng)力的深度檢測(cè)，可為工程部件確定可靠的使用期限，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種先進(jìn)的無(wú)損檢驗(yàn)方法。散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究。質(zhì)子治療是利用加速器提供的質(zhì)子束流照射并最終殺死腫瘤細(xì)胞的一種先進(jìn)治療手段，已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用。
專(zhuān)家指出，中國(guó)散裂中子源是一臺(tái)大型射線(xiàn)裝置，但它產(chǎn)生的輻射的絕大部分是瞬發(fā)性的。散裂中子源產(chǎn)生的剩余產(chǎn)物活性低于反應(yīng)堆中子源的1/1000。通過(guò)采取有效的防護(hù)措施和嚴(yán)格的安全聯(lián)鎖，可以確保裝置在正常運(yùn)行或設(shè)備故障期間，其對(duì)環(huán)境的影響完全控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。在正常運(yùn)行狀況下，裝置的科學(xué)壽命將超過(guò)30年。
編輯：曉棠 來(lái)源：科學(xué)時(shí)報(bào)
