中國散裂中子源邁出產業應用第一步，散裂中子源有何作用？

8月11日，作為世界四大散裂中子源之一，中國散裂中子源邁出了產業應用第一步。這一天，中科院高能物理所與東陽光集團聯手，正式開展「硼中子俘獲治療項目」的攻關。

「這是中國散裂中子源成果轉化的開端。」中科院高能物理所所長、中科院院士王貽芳說，按計劃，今年9月，散裂中子源將會打出第一束中子，明年，整個工程建設和項目驗收工作將全部完成。

「硼中子俘獲治療項目」簽訂（圖片來自網路）

散裂中子源，其作用和顯微鏡、X射線有著異曲同工之妙，它們就像眼睛的延伸，去探索人類用肉眼難見的奇妙複雜的物質微觀世界。

那麼散裂中子源師如何發揮作用呢？

散裂中子源的基本原理

散裂中子源的基本原理，是用高能強流質子加速器產生能量1GeV以上的質子束，轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中發生散裂反應，產生大量的中子。當一個高能質子，打到重原子核上時，一些中子被轟擊出來，這個過程被稱為散裂反應。

散裂反應

被轟擊的原子核溫度升高，更多的中子就會"沸騰"起來並脫離原子核的束縛。如果將一個壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會立刻蹦出來，而更多的球則會彈跳並翻出筐外，散裂反應與這個過程很相似。每個與原子核相作用的質子能夠轟擊出20到30個中子。

與散裂反應過程相似的投球入筐過程

散裂中子源的特點是在較小的體積內可產生較高的脈衝中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的範圍；它具有高脈衝通量和優越的脈衝時間結構，低本底，且不使用核燃料，只產生極少量活化產物等獨特優點。

散裂中子源的應用

散裂中子源在日常生活中的應用非常廣泛，包括化學、磁學、超導、結晶材料、醫學、結構生物學等多個領域都有散裂中子源的應用。

例如在化學方面，中子散射是了解油脂和乳劑（如冰激凌）之類油水化合物基本化學結構的關鍵；科學家們試圖利用中子來研究骨骼在發育過程中是怎樣鈣化的，骨質疏鬆時骨骼又發生了怎樣的變化，以及醫生建議的治療計劃是否可行；中子散射技術還可以幫助人們了解牙膏中的化學添加劑是否真的有助於潔齒。

骨骼在發育過程中鈣化

而在磁學和超導方面，由於中子具有磁矩，可以揭示其他任何方法所無法獲取的材料磁性特徵的詳細情況。這些信息對於開發高密度記錄介質，如錄音帶、錄像帶、CD和計算機盤至關重要；

先進的散裂中子源能提供足夠多的中子，在材料向超導狀態過渡時，幫助科學家們控制磁性所起的作用，從而有助於了解高溫超導體如何工作，如何能在相對高溫時保持其超導性。懂得了這一點，就能生產出導電性更好的超導材料，並有可能改善高功率傳輸線和高磁場磁鐵的性能。這些基本信息可應用於設計高速的電子學設備。

高磁場磁鐵

在醫藥/結構生物學方面，DNA分子決定了蛋白質的合成，中子散射可獲得DNA的形狀和結構，廣泛用於醫療方面，如醫治癌症或艾滋病之類的重症；

中子散射技術可研究藥物的結構及與標靶結合的特徵，為藥物遴選、改性等提供依據，加快新葯研製進程。

散裂中子源可用於治療癌症等重症（圖片來自網路）

世界上的脈衝式散裂中子源

英國盧瑟福實驗室的ISIS，從上世紀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。它利用直線加速器將負氫離子加速到70MeV，通過剝離注入到快循環同步加速器，把質子進一步加速到800MeV後轟擊鎢靶，其脈衝中子通量已高出通量最高的反應堆近一個量級。

英國散裂中子源的快循環同步加速器

美國橡樹嶺國家實驗室為主的六大核科學國家實驗室攜手合作建造了一台第一期設計束流功率為1.4MW的散裂中子源SNS。其總投資也高達14億美元。通過七年多的緊張建設，於2006年4月28日，產生出第一束中子。至2007年8月，束流功率達到160kW，超過英國的ISIS。

美國散裂中子源鳥瞰圖

日本原子能研究所與高能加速器研究機構合建的工程總投資約18億美元的強流質子加速器研究聯合裝置J-PARC已於2009年上半年建成並投入運行。2009年11月，束流功率達到120kW，12月進一步達到300kW（持續1小時）。

日本散裂中子源鳥瞰圖

中國散裂中子源是國家「十一五」期間立項、「十二五」重點建設的大科學裝置，是國際前沿的高科技、多學科應用的大型研究平台，建成後，CSNS將成為發展中國家擁有的第一台散裂中子源，和世界上正在運行的美國散裂中子源、日本散裂中子源與英國散裂中子源一起，構成世界四大脈衝散裂中子源。

中國散裂中子源園區效果圖

出品：科普中國

製作：山夕團隊 唐媛

監製：中國科學院計算機網路信息中心

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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