中国散裂中子源：揭秘微观世界的“超级显微镜”

中国散裂中子源：揭秘微观世界的“超级显微镜”

在广东省东莞市松山湖科学城，有一座被誉为“超级显微镜”的重大科技基础设施——中国散裂中子源（CSNS）。作为我国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源，它自2018年正式投入运行以来，已经为1300多个科研课题提供了关键技术支持，成为探索物质微观结构的利器。

散裂中子源是一种利用中子来探测物质微观结构的大型科研装置。其基本工作原理是：通过加速器将质子加速到接近光速，然后轰击重金属靶，产生大量中子。这些中子被收集后，通过不同类型的谱仪进行实验，以分析物质的微观结构。

中子为什么能成为探索微观世界的理想“探针”呢？这主要得益于它的几个独特特性：

• 不带电：中子能够穿透物质而不受电荷影响，可以深入物质内部进行探测。
• 强穿透力：能够穿透厚厚的金属容器，对内部结构进行原位研究。
• 对轻元素敏感：特别擅长探测碳、氢、氧、氮等轻元素的位置，这对于研究生物大分子尤为重要。
• 能探测动态过程：可以捕捉物质结构的微观动态变化。

中国散裂中子源一期工程包括一台8000万电子伏特的直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站，以及3台供科学实验用的中子散射谱仪。其工作原理是将质子加速到16亿电子伏特，速度相当于0.92倍光速，把质子束当成“子弹”，去轰击重金属靶。金属靶的原子核被撞击出质子和中子，科学家便通过特殊的装置“收集”中子，开展各种实验。

散裂中子源装置不仅极为庞大，而且部件繁多，工艺极其复杂，制造和安装过程克服了重重困难。装置各项设备的批量生产由全国近百家合作单位完成，国产化率达90%以上，许多设备达到国际先进水平。2017年8月，中国散裂中子源首次打靶就成功获得完全符合预期的中子束流。2018年，中国散裂中子源按指标、按工期高质量完成了工程建设任务，从此实现了强流质子加速器和中子散射领域的重大跨越，为物质科学、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术研发提供强有力支撑。

中国散裂中子源的应用范围极其广泛，涵盖了材料科学、新能源、医疗制药等多个前沿领域。例如：

• 航空发动机叶片检测：通过中子散射技术，可以探测叶片内部的残余应力和金属疲劳情况，为提高发动机性能和安全性提供数据支持。
• 可燃冰研究：中子对碳氢化合物特别敏感，能够隔着厚厚的金属容器研究可燃冰的结构，为安全开采提供科学依据。
• 电动汽车电池研究：通过实时原位测量，研究锂电池的结构特征和锂离子在充放电循环过程中的输运行为，为提高电池性能提供重要数据支撑。
• 超级钢研发：香港大学教授黄明欣团队利用散裂中子源，揭示了超高强钢中微细裂纹的奥秘，这种新材料已应用于国产汽车生产。

作为粤港澳大湾区首个国家重大科技基础设施，中国散裂中子源不仅是一个科研平台，更是一个促进区域协同创新的重要纽带。据统计，该装置的用户中，有三分之一来自粤港澳大湾区，其中港澳用户达117个。许多粤港澳科学家在这里开展创新研究，推动了区域科技合作与交流。

2024年1月，中国散裂中子源二期工程正式启动。二期工程将大幅提升装置性能：谱仪数量将从目前的8台增加到20台，加速器打靶束流功率将从100千瓦提高到500千瓦。这意味着在同等时间内可以产生更多中子，不仅缩短实验时间，还能提高实验精度，测量更小的样品，研究更快的动态过程。

随着第四代衍射极限同步辐射光源的立项建设，未来这里有望形成世界一流的研究中心，为我国在物质科学、生命科学、新能源等领域的前沿研究提供更强大的支撑，助力国家科技创新和产业升级。

中国散裂中子源的成功建设和运行，不仅填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，更显著提升了我国在相关领域的技术水平和自主创新能力。这座“超级显微镜”正以惊人的精度，为我们揭示着微观世界的奥秘，推动着科学技术的不断进步。