松山湖水平散裂中子生

陈和生

散裂中子源，其作用和显微镜、X射线有异曲同工之妙，它们就像人类眼睛的延伸，能够去探索我们用肉眼所难见到的奇妙复杂的物质的微观世界。X射线能“拍摄”人体的医学影像，而在材料学、化学、生命科学、医药等领域，科学家更希望有一种高亮度的“中子源”，能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。散裂中子源应运而生。它就像一台超级显微镜，研究诸如DNA、结晶材料、聚合物等的结构，揭开这大千世界的神秘面纱。

此前，世界上只有英国、美国和日本3个国家拥有脉冲散裂中子源，中国散裂中子源（ChinaSpallationNeutronSource）成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源，这也是我国最大的科学装置。

中国散裂中子源建在离深圳很近的地方——松山湖。这个地方本来盛产优质荔枝品种“糯米糍”，2006年被选中建造散裂中子源，是因为它也是一个最适合建设大科学装置的地方。我们在2011年10月动工，经过了6年半的建设，最终于2018年8月建成通过验收。

中国散裂中子源的直线加速器，会产生8000万电子伏特的质子，然后把它们送到快循环加速器——所谓快循环，就是循环频率能达到25赫兹，即每秒25个循环。快循环加速器能把8000万电子伏特的质子加速到16亿电子伏特，再让这些质子束去打中间的靶站，这样就会产生散裂中子，然后我们用测量仪器来收集散裂中子的各项信息。2017年8月28日，我们成功实现了散裂中子源运行，正可谓——松山湖水平，散裂中子生。

散裂中子源的基本原理，是用高能强流质子加速器产生能量1千兆电子伏特（即1GeV，1千兆电子伏特=1×109电子伏特）以上的質子束，轰击重元素靶（如钨或铀），在靶中发生散裂反应，产生大量中子。当1个高能质子，打到重元素的原子核上时，就会轰击出一些中子，这个过程被称为散裂反应。被轰击的原子核温度升高，更多的中子就会“沸腾”起来并脱离原子核的束缚。类似将一个网球用力投到装满球的筐中，有一些球会立刻蹦出来，而更多的球会弹跳并翻出筐外，散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20～30个中子。

探索微观世界的利器：大型加速器

为什么要建设散裂中子源这样的大科学装置？

回顾物理学的进展，20世纪是名副其实的物理学的世纪，物理学在这个世纪里经过了3次大跨越。100多年前，我们发现原子是由电子和原子核组成的，后来又发现原子核是由质子和中子组成的。20世纪六七十年代，我们最后发现质子和中子不是物质结构的最终单元，它们都是由更小的粒子——夸克构成的，当时中国科学家给它起名叫“层子”。每个质子和中子都包含3个夸克。

为了研究物质结构的3次大跨越，就需要建设非常大的加速器。因为当被研究的物质结构越来越小时，就需要越来越高的能量去分解物质。为了获得能量大的粒子，就需要建造非常大的加速器。世界八大高能加速器中心之一、我国第一台高能加速器——北京正负电子对撞机的周长有240米，位于日内瓦的世界上最大型的粒子物理学实验室——欧洲核子研究中心的加速器周长更是达到了27千米。因为，只有用这么大的科学装置才能得到非常高能量的粒子，才能去研究微观世界，找到构成物质的最小单元，并研究它们相互作用的规律。

所有物质都由分子和原子组成。其中，原子由原子核和绕核运动的电子组成，原子核又由质子和中子构成。中子不带电，穿透力强，如果将一束足够多的中子射向一种材料，就能在不伤害其实体的前提下，“探测”到材料的微观结构和内部运动规律，可谓最强科研透视眼。想要得到和控制中子，就必须有一个适当的中子源，也就是能释放出中子的装置。中子源有很多种，在物理、工程、医药、核武器、石油勘探、生物、化学、核动力和其他工业中有广泛用途。

物理学在20世纪的3次大跨越，最终对人类产生了深远影响。

一方面是它变成了生产力。如大亚湾核电站、江门核电站，我们还利用大亚湾、江门核电站中微子来做实验;如今强调绿色能源，强调碳中和，而核电是非常重要的清洁能源;利用核医学成像来诊断身体有无疾病，利用工业CT来检查设备有无缺陷，利用放射性加速器疗法去治疗癌症等，这些都是20世纪物理学研究的成果转化。这种成果转化，也包括大家现在用的计算机、手机、导航系统的开发。另一方面重要影响，就是它使社会发生了巨大变化。众所周知的就是核武器，它的诞生就源于核物理研究。

此外，还有一个影响可能不被人所熟知。如今我们天天都在上网、看新闻、跟朋友聊天、网上购物，那么网页是怎么产生的？它实际上也是粒子物理研究的副产品。1988年，为了大型科学实验的合作，欧洲核子研究中心发明了网页。这项大型科学项目包含4个实验，每个实验都由几千个科学家合力完成，他们分布在全世界，东到日本、中国、印度、巴基斯坦，西到欧洲，到美国东海岸的纽约、中部的芝加哥、西海岸的旧金山，一直到夏威夷，跨越的时区时间相差20个小时。那时没有现在这样方便的跨国电话，更不会有免费的网络电话，交流非常困难，通信要用电传，类似于电报，表达字数很有限。当时，一位在日内瓦欧洲核子研究中心的英国科学家提出，利用当时刚刚诞生的互联网开辟一个空间，让大家来发表意见。当日本、中国的科学家上班了，可以发表自己的意见，然后等欧洲科学家隔六七个小时后上班了，再发表自己的意见，这样就形成了互相联通的交流网络。

当时人们就预计到了互联网的应用前景会非常好，当然绝没想到会产生现在这么大的影响。欧洲核子研究中心和这位英国科学家表示：我们这些做粒子物理研究的，都是由纳税人的钱来支持的，因此不申请专利，把这个发明贡献给全人类。所以现在，大家每天在用手机看网页、购物、聊天，所有这些东西都是来自这样一个发明。可以看到，大科学研究不仅是为了实现基础研究理论的大跨越，同时会促进很多技术的诞生和发展。

回到我们的国之重器，为了研究物质结构的最小单元，要造非常大的加速器，产生非常高的能量，从而去研究非常小的尺度，比如10-13厘米，甚至10-15厘米、10-16厘米。

这种设备可以分成两类。一类是给某一个学科专门使用的，比如位于合肥的有人造太阳之称的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST），或者位于贵州的500米口径球面射电望远镜天眼（FAST），或是位于日内瓦的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC），都属于某一个领域的专门设备。另一类就是大型科研平台。大型的加速器能够产生同步辐射（同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，因此称“同步辐射”），也能够产生中子。同步辐射产生的是一种非常强的X射线，比医用X射线强几十亿乃至几百亿倍。它和中子都是非常好的研究物质结构的工具，所以生产这些工具的设备，就成了研究物质结构非常有利的平台。