探索微观世界的超级显微镜（开卷知新）(2)

　　中子其实在我们周围到处都存在，但这些中子都被束缚于原子核中，无法自由运动。我们要用中子做探针，就需要自由的中子。自由的中子从何而来？这就需要专门产生大量自由中子的装置，可以通俗地称之为产生中子的“工厂”。这样的“工厂”主要有两类：一类是反应堆中子源，还有一类是散裂中子源，它通过高能质子束去轰击重金属靶，发生散裂反应，从而产生高通量短脉冲中子束流。国际上的先进中子源正在逐步从反应堆转向散裂中子源，因为其性能更好，而且安全性更高。

　　物理学有一条基本规律，研究越小的尺度，需要越高的能量。随着物质结构的研究深入到原子核和粒子的层次，研究物质微观结构的尺度越来越小，就需要使用能量越来越高的粒子。加速器可以产生高能量粒子，加速器做得越大，能量有可能越高，于是催生了各种基于大型加速器的重大科技基础设施，也称大科学装置。

　　这些大科学装置具有鲜明的科学和工程双重属性，知识创新和科学成果产出丰硕，技术溢出、人才集聚效益非常显著，因此往往成为国家创新高地的关键要素，是国之重器、科技利器。

　　2011年9月，中国散裂中子源装置在广东东莞开工建设。一期建设内容包括一台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。

　　散裂中子源是提供先进中子散射研究和应用的大型交叉平台

　　自中国散裂中子源通过国家验收进入正式运行阶段以来，已完成11轮开放，每年运行时间超过5000小时，开放时长和效率都处于国际同类装置的领先水平。目前已完成了超过1300个科研课题，取得了一批重要科学成果，如锂离子电池、太阳能电池结构、稀土磁性、新型高温超导、量子材料、功能薄膜、高强合金、芯片单粒子效应等，为国家诸多领域的战略需求和高科技产业提供关键的研究平台。在粤港澳大湾区，散裂中子源另外建设了8台合作谱仪，已经陆续投入运行。

　　近年来，中国散裂中子源对国产高铁车轮进行内部深度残余应力测量，给出了高铁车轮完整的应力数据，对高铁安全性和提速具有重要意义；利用中子的穿透能力和对复杂组分的定量识别能力，解释了创造世界纪录的高屈服强度且韧性好的超级钢的新机制；通过实时原位测量，研究汽车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，对锂电池性能提高提供重要数据支撑；运行大气中子谱仪，加速模拟宇宙射线打到大气层产生的中子辐照环境，为解决电子元器件在大气层内与地面的失效问题提供重要手段，为飞机适航论证和航空器安全提供研究平台。