它是迄今為止我國已建成的、單項投資規模最大的大科學工程； 它讓我國成為繼英國、美國、日本之後世界第4個擁有脈沖散裂中子源的國傢；它通常被人們稱作超級顯微鏡。

它就是中國散裂中子源（CSNS）。

CSNS是什麼

CSNS園區（一期）位於廣東省東莞市大朗鎮，總占地面積400畝。其主裝置區建在園區南部的13米到18米深的地下，建設內容包括一臺8千萬電子伏特的直線加速器、一臺16億電子伏特的快循環同步加速器、一個靶站以及三臺供科學實驗用的中子散射譜儀，其中直線加速器隧道長240米，環形加速器周長228米，相當於半個足球場大小。

CSNS是我國“十一五”期間立項、“十二五”期間重點建設的重大科技基礎設施，由中國科學院和廣東省共同建設，建成後的實驗應用范圍將包含化學、物理、生物和地質等廣泛學科，服務於國傢能源、環境、生物和新材料等諸多高科技研發領域。

CSNS在實際應用中就像一臺“超級顯微鏡”，能在不對物質造成破壞的前提下“看穿”材料的微觀結構。那麼，這臺“超級顯微鏡”采用瞭哪些先進的設計理念和技術呢？

CSNS采用的先進設計理念：

1、采用低能直線加速器加快循環高能同步加速器的加速器方案，這是節省投資、適合國情的優化設計；

2、脈沖重復頻率定為25 Hz，這是可大幅提高長波中子以及每個脈沖內的中子的利用效率的優化設計；

3、采用扁平包鉭鎢片靶的優化設計，提高中子產額和靶的壽命；

4、在譜儀設計中采用超鏡中子導管和立體分佈多探測器系統等國際先進技術成果，提高中子的利用效率和譜儀分辨率。

CSNS采用的先進技術包括：

1、射頻四極加速器（RFQ）是一種在直線加速器低能端被國際上廣泛采用的加速結構，它同時完成對束流的聚焦、聚束與加速，有利於克服低能強流束的空間電荷效應，極大地提高瞭束流品質。正在建造中的美國、日本的散裂中子源均采用瞭這種加速結構，而英國已經建成的ISIS散裂中子源加速器也於近年建造瞭RFQ，替換原來的高壓型加速器；

漂移管直線加速器（圖片來源：粵港澳大灣區門戶網）

2、快循環同步加速器中將采用一系列先進技術，如陶瓷真空盒、采用帶內水冷的鋁絞線線圈的主磁鐵和諧振電源系統等。這些先進技術在國內均是首次應用，其研發將顯著提高我國工業企業在相關領域的技術水平；

6aa90623118e1d08472ff8f5536468ad中國散裂中子源的靶站譜儀的靶心（圖片來源：中國散裂中子源工程）

3、靶站采用三個不同特性的慢化器，特別是內含低能中子吸收體的退耦合液態甲烷慢化技術，可獲得波長合適的高強度脈沖中子，以滿足不同學科對中子波長、能量、通量和分辨率的要求；

4、中子譜儀方面：硬件上，除使用傳統的背底轉子系統外，譜儀還將使用彎曲導管技術，以甩開快中子和γ射線，提高信噪比。樣品環境設備，將使用統一的國際通用的裝置，使同一環境設備，特別是極端條件設備，可在任一譜儀上使用，降低譜儀的投資成本，提高樣品環境設備的使用效率。軟件上，譜儀系統將利用目前先進的計算技術和網絡技術，開發有效的數據處理、傳輸和分析系統、數據遠程共享系統和譜儀遠程控制系統。

散裂中子源工作原理

散裂中子源是什麼？

“散裂”是當一個高能質子轟擊重原子核時，一些中子被轟擊出來的過程，如同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一樣。

cb0142828089d393a0892dc622c5bcdc利用中子散射探測材料中的原子排佈結構（圖片來源：英國盧瑟福-阿普爾頓實驗室）

中子是組成物質的基本粒子之一，它和X射線一樣，都是人類探索物質微觀結構的有力手段：當一束中子入射到研究樣品上時，與它的原子核或磁矩發生相互作用，產生散射，最後由中子散射譜儀接收。通過測量散射的中子能量和動量的變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質的微觀結構和運動規律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態。這種研究手段就叫中子散射技術。

中國科學院高能物理研究所副所長陳延偉在接受媒體采訪時解釋，在中子散射過程中，可以把中子比作玻璃球，把想要研究的材料想象成一張大的網，網的節點就是需要研究材料的晶格結構。當大量的中子被入射到樣品上時，就像一堆玻璃球被射到一張網上。有一些玻璃球遇到瞭網的節點，就會改變方向和能量。同時，通過測量這些改變運動方向後的中子能量，運用數學方法就可以推算出網的形狀、以及接點之間的連接張力等。

能夠看出，進行中子散射的研究，需要用中子做探針，就必須有一個適當的中子源，先進的中子源是中子科學研究的基礎。如何能獲得產生高通量中子的中子源，一直是科學傢不斷努力追求的目標。

高通量的中子源包括反應堆中子源和散裂中子源。核反應堆是一種穩定連續的中子源，在中子科學研究中發揮瞭巨大的作用。但由於反應堆散熱技術的限制，反應堆中子通量在上世紀六七十年代就達到瞭飽和。隨著科技的進步，相應的研究體系如薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質等，尺度分佈更大，獲得數量在克量級的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應運而生。

安全

如此龐大的科學裝置，它的安全性如何呢？會不會對周圍的環境產生污染？

中國散裂中子源工程總指揮、工程經理、中科院院士陳和生在接受媒體采訪時介紹，CSNS基於新一代加速器，不需要核材料，其動力來自電能，輻射嚴格控制在環保安全范圍。通過測算，在散裂中子源附近居住1年，居民受到的輻射量僅相當於乘坐1次長途飛機。

據瞭解，加速器通過電子器件自動控制起停，一旦出現故障，可以在幾毫秒內關閉，而散裂中子源是射線裝置，隻要斷電停機，中子源產生的主要輻射立即消失。同時，CSNS附近建有監控站，隨時監控輻射情況。《散裂中子源項目環境影響報告書》也提出瞭系列事故應急預案，例如，倘若發生地震等自然災害時，散裂中子源機器便停止運轉，輻射場立即消失。

另外，散裂中子源與反應堆類的核裝置完全不同，不需要核原料，沒有鏈式核反應，加速器運行時會有少量的粒子丟失而產生次級粒子，如：χ射線、γ射線和中子等，它們都具有放射性，通稱為瞬時輻射。但這些放射性物質，比反應堆中子源低5—6個量級，對環境的影響要小得多，而且這些放射性物質將存放在國傢指定的廢物庫中。

應用

散裂中子源不僅能夠滿足航空航天、深海探測等重大科研項目對尖端設備的需求，也能服務於人民日常生活，在交通設施安全監測、醫療健康等領域大放光彩。

無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼，裡面都有應力（物體由於外因而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，單位面積上的內力稱為應力），它決定瞭高鐵和飛機使用壽命和安全性。但是，這個應力看不到、摸不著，對它的研究成瞭避免災難發生的關鍵。現在科學傢已經可以在散裂中子源上測量研究輪軌和機翼的剩餘應力，優化機械加工工藝，使高鐵和飛機變得更安全舒適。

散裂中子源技術在生物、生命、醫藥等研究領域也發揮著X射線都無法替代的作用，並與同步輻射光源互為補充，成為基礎科學研究和新材料研發的最重要平臺之一。例如，在癌癥治療中，有一種方法叫硼中子俘獲療法：通過先給癌癥患者註射一種含硼（硼-10）的無毒藥物，由於它與癌細胞之間有很強的親和力，導致這種藥物會迅速聚集於癌細胞內，而其他正常細胞內聚集的卻極少。當藥物在癌細胞內“潛伏”妥當之後，利用加速器提供的中子，產生超熱中子束照射腫瘤部位，中子就會被癌細胞內的硼所俘獲，並在癌細胞內發生很強的核反應，釋放出殺傷力極強的射線。這種射線射程很短，隻有一個細胞的長度，所以它隻殺死癌細胞，而癌細胞周圍的正常組織則不會受到損傷。

此外，在新型清潔能源可燃冰的開發利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其研究成果將為安全、高效地開采和利用可燃冰提供科學依據。

圖為位於東莞大朗的中國散裂中子源園區

截至目前（2022年9月），中國散裂中子源已經在基礎科學研究和國傢重大需求領域取得瞭一大批重要成果，國內外已有超過3400名註冊用戶。

圖片來源於網絡

資料來源：

http://www.elecfans.com/dianzichangshi/20111106237234.html

http://csns.ihep.cas.cn/jsyy/jsxj/201312/t20131204_144686.html

http://www.xinhuanet.com/science/2022-08/15/c_1310652734.htm

http://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?business_type=100&classify=0&ar_id=113294

http://zhuanlan.icpchaxun.com/p/32646095

http://caskepu.chuanbo.cas.cn/gb/jctj/201710/t20171027_4532243.html

http://www.cas.cn/kxcb/kpwz/201107/t20110706_3301950.shtml

http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2015/Z2/2015Z204.htm

http://www.xianjichina.com/news/details_52993.html

http://baike.baidu.com/item/%E6%95%A3%E8%A3%82%E4%B8%AD%E5%AD%90%E6%BA%90/3878179?fr=aladdin