“超级显微镜”：探秘中国散裂中子源

我们要进行中子散射的研究，要用中子做探针，去开展各种各样的研究，就必须有一个适当的中子源，先进的中子源是中子科学研究的基础。如何能获得产生高通量中子的中子源，一直是科学家不断努力追求的目标。高通量的中子源包括反应堆中子源和散裂中子源。核反应堆是一种稳定连续的中子源，在中子科学研究中发挥了巨大的作用。通常使用235U作为核燃料，每次核裂变产生一个有效中子，而释放180MeV的热量。堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出，才能保证反应堆正常运行。正是因为堆芯散热条件的限制，反应堆中子通量在上世纪六、七十年代就达到了饱和。

随着科技的进步，相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等，尺度分布更大，获得数量在克量级的样品更为困难。因此，小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源，散裂中子源应运而生。

与核反应堆中子源相比，散裂中子源具有许多独特性能：高脉冲通量，丰富的高能短波中子，优越的脉冲时间结构。

散裂中子源除长波（低能）中子外，还有丰富的短波（高能）中子，为高能量和高动量转移的中子散射提供了保证，适于研究原子尺度微结构和研究较高能量的激发（光学声子、氢原子扩散等）。散裂中子源的脉冲特性，可以同时利用几乎所有波长的中子，适合测量大动量（能量）范围里的散射截面，全面反映结构和动态信息。

由于散裂中子源的这些独特的性能，以及国际社会对安全评估要求越来越严，发达国家普遍利用散裂中子源进行中子散射研究。

装置探秘：小中子，大装置

虽然中子是如此微小，但产生强中子束的散裂中子源却是异常庞大的装置，是各种高、精、尖设备组成的整体。

世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有英国的 ISIS、美国的 SNS 和日本的J-PARC。

中国散裂中子源（CSNS）将成为发展中国家的第一台散裂中子源，跻身世界四大脉冲散裂中子源行列，从而大幅提升中国基础研究和高技术的水平。

CSNS 整个装置建在13米到18米的地下。其主要建设1台束流能量为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流能量为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台谱仪及相应的配套设施和土建工程。CSNS一期工程中子谱仪数量为3台（最多可建20台），束流功率为100kW，且预留了进一步提高束流功率到500kW和增修第二靶站的升级空间。

下图给出了CSNS系统构成示意图。离子源产生的负氢离子束流，通过射频四极加速器（RFQ）聚束和加速后，由漂移管直线加速器（DTL）把束流能量进一步提高到80兆电子伏特，负氢离子经剥离后注入到快循环同步加速器（RCS）中，使束流达到最后能量16亿电子伏特。从RCS引出的高能质子束流经传输线打向钨靶，释放出中子，这些中子形成非常强的中子束流，中子再经慢化后与实验样品发生散射，由中子散射谱仪探测，供用户开展实验研究。