梁天骄：中国散裂中子源的工作原理

中国散裂中子源每40毫秒提供20多束脉冲中子束流，照射各种材料，让人们获得物质在原子层级上的结构和运动的信息。这样的信息对探索基础科学问题、研发高性能材料、研究高铁轮轨失效机理等十分重要。

中子束流从哪来呢?

原子包含由中子和质子构成的原子核和核外电子。质子和电子可以较容易地通过氢原子的电离等方式获得。在地球上，超过一半的物质质量由束缚在原子核内的中子贡献，而自由中子由于其半衰期只有八百八十多秒，数量很少。要把中子从原子核中释放出来，需要给原子核内的中子提供很大的能量，才能克服将它约束在原子核内的很强的核力。

散裂中子源，就是用高能质子轰击原子核的办法产生中子。

要把原子核“撞碎”，需要比原子核小的东西作“子弹”。我们的子弹，即质子，根据量子力学的波粒二象性，质子既是一个粒子，但同时又有波的性质。质子能量越高，波长越短。质子能量较低时，它的波长大于原子核的直径，这时质子只能与整个原子核发生相互作用，不能给原子核内的中子提供足够的能量。而当质子能量足够高时，其波长会小于原子核的尺寸，这时，入射质子可以与原子核内的中子、质子等核子发生单独的碰撞，入射质子与被碰撞的核子能量比较高时，它们还可以继续与原子核内的其他核子发生碰撞，甚至将原子核“撞碎”，就像打台球的开球时一样，从而让原子核内的中子释放出来为我们使用，这个过程叫做核内级联碰撞。

中国散裂中子源利用直线加速器和环状加速器把质子加速到高达光速(宇宙中最快的速度)的百分之九十，能量达到1.6GeV，然后控制质子轰击由重金属钨制成的靶。高能质子除了把钨原子核中的一些中子直接撞出原子核，还会使原子核处于能量高、不稳定的激发态，激发态的原子核就像一壶烧开的水，不断向外“冒泡” ，进一步“蒸发”出一些中子、氘核、α粒子等轻粒子。高能质子入射重核后这一系列复杂的核反应统称为散裂反应，一个1.6GeV的质子可以从钨原子核中释放出四十多个中子。

这些中子在靶站内经过液态氢或水慢化后，速度从每秒几万公里降到每秒几百到几千米，之后向四面八方飞散。

围绕靶站，中国散裂中子源已建成了3条中子谱仪：通用粉末衍射仪、小角衍射仪和多功能反射仪。

谱仪就是引出中子束并通过不同的方法利用中子探测物质微观结构和运动的仪器。不同的谱仪工作原理各异，应用领域、范围也不尽相同。

谱仪具体如何探测物质结构呢?以通用粉末衍射仪为例，中子束流照射在样品后，部分中子向各方向散射开，谱仪会记录这些散射中子的方向，以及各个方向上有多少中子。在中子的波长与样品微观上周期排列的原子间的距离满足一定关系时，一些方向的散射中子数量会显著增加，材料的不同原子结构会让中子以不同方式散射。利用记录的散射到不同方向中子的“蛛丝马迹”，人们可以反推材料的微观结构。

这个过程与X射线研究微观结构有异曲同工之处，使用相似波长的中子和X射线。神奇的是，这两种探测手段在许多方面刚好优势互补，相辅相成。

譬如X光是探测重元素(如金、铅)的利器，对轻元素却不太敏感。而中子束刚好对探测氢、碳等轻元素效果甚佳，并且可以区分同位素。

利用中国散裂中子源发表的第一篇实验成果论文，就是在通用粉末衍射仪上研究锂电池的正极材料的微观结构。在原子层面对锂电池材料和工作机制的深入研究，有助于科学家开发更高容量、更安全的锂电池。

作为国之重器，中国散裂中子源正在发挥越来越重要的作用。