中国散裂中子源简介

相 互补充 ，为我 国 中子 科 学 的发 展 做 出 了贡 献 。例
进入 ２ｌ世纪 ，美 、日、欧等发达国家开始认识到
如 ，即将 建设 的 中国散裂 中子 源 （ＣＳＮＳ）的谱 仪 能 同 能 提供 更高 中子 通量 和 中子利 用 效率 的散 裂 中子源
时测量 大 范 围的动 量 能 量 变 化 ，方 便 物 质 整 体 性 能 在 现代 科学 技术 中 的重 要 地 位 ，相 继 提 出建设 束 流
ＣＳＮＳ，ＰＥＦＰ和 ＩＳＮＳ设 计 功 率 都 在 百 千 瓦 量 级 。
高 通 量 中子 源 在 我 国有 近 半 个 世 纪 的 发 展 历 图 ２为世 界 范 围 内的散裂 中子 源 的分布 图 。
程 。１９５８年 ，我 国建 成 第 一 座 实 验 性 重 水 反 应 堆 ，
为我 国原子 能事 业 的发 展 打 下 了坚 实 基 础 ，赢 得 了
为 反应 堆 的约 １／４（约 ４５ＭｅＶ）。从 反应 堆 中子 源发 ＳＣＥ、英 国 的 ＩＳＩＳ。 已经 调 束 和 即将 调 束 的散 裂 中
展到 高通 量脉 冲 散 裂 中子 源 ，使 中子 探 针 的 功 能变 子 源 有 美 国 的 ＳＮＳ、日本 的 Ｊ－ＰＡＲＣ。 计 划 建 设 的
二 、散裂 中子 源 先 进 的 中 子 源 是 中 子 科 学 研 究 的 基 础 。 自 １９３２年 中子被发 现 以来 ，能 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 中子源 包括 反应 堆 和散 裂源 。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 了巨大作用。通常使用 ０ ｕ作为核燃料 ，每次核裂 变产 生一个 有 效 中子 ，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
１９卷 ６期 （总 １１３期 ）
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功 率为 兆瓦 量级 的散裂 源 。它们 能产 生 比反应 堆 高 贝尔物 理学 奖 。磁有 序结 构 的 中子衍 射测 量加 速 了
上百 倍 的有效 中 子通 量 ，为 多 学科 的创 新 研究 提供 磁相 互作 用理 论 的完 善 ，推 动 多 体 凝 聚 态 理论 和实
国际 同行 的尊 重 ，同时 也 开 展 了 中子 散 射 研究 。进
入 ２１世 纪 ，随着 我 国整 体 科 技 水 平 的 提 升 ，越 来 越
多 的研 究人 员希 望 利 用 中子 散 射 深 化 自 己的研 究 。
然 而 ，我 国研究 用 中子源 发展 相对 滞后 ，高水平 中子
散 射设 施缺 乏 、技术 发展 缓慢 ，许 多科 学 家 已开始 通
性及 普遍 性来 说 是非 常强 有 力 的 ，同时 它 也 是对 我 们 在《能量条 件简介 》的引 言中介 绍 的奇点产 生 原 因 之争 的判决性结论。但霍金 一彭罗斯奇点定理也有 一 个显 而易 见 的缺 点 ，那 就 是 它 既 无 法告 诉 我 们 究 竟 哪一条 非类 空 测 地 线 是不 完 备 的 ，也 无 法 提 供 有
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中 国散 裂 中子 源 简 介
韦 杰
一 、 中子 散射 １９３２年 ，查 德 威 克 发 现 了 中子 ，人 们 认 识 到 原 子 核 由带正 电 的质 子 和不带 电的 中子 构成 。 中子 的 发现 及应 用是 ２０世纪最 重要 的科 技成 就之 一 。 当一束 中子入射到所研究 的对象上 时，与研究 材料 中的原子核或磁矩发生相互作用 ，被散射出来 ， 通过测 量散 射 出来 的 中子 能量 和动 量 的 变 化 ，可 以 研究在 原子 、分 子尺 度 上 各 种 物 质 的微 观 结 构 和 运 动规律 ，告诉 人 们原 子 、分 子在 哪里 ，原子 、分 子在 做 什么 ，这种研究手段就 叫中子散射技术 。用于 中子 散 射 的 中子 ，波 长从几 埃 到几 十埃 、能量 在毫 电子伏 特 到电子 伏特 之 间 ，分别 与物 质 中原 子 分 子之 间 的 距 离和 相互作 用 能量相 当 。
进行 的研 究 工作 会 有 一 定 局 限 ，为 增 加 我 国科 技 的 时问技术去利用某一波段范 围内的全部中子 ，而不
整体竞争能力 ，在我国建设一 台脉 冲散裂 中子源就 像反应堆通常只选取某一特定波长的 中子，因此 中
十分必要 。散裂 中子 源与 ＣＡＲＲ堆 两 者 各 具特 色 、 子 的使 用效 率 提高 了 １－３个 量 级 。
１０１５ｃｍ 一２Ｓ 。
据 的测量 ；ＣＳＮＳ散射 谱 仪 利 用 飞 行 时 间 相应 的 中
随着 科技 的进 步 ，相 应 研 究 体 系 （如 薄 膜 、纳 米 子能量 分辨 ，重 点测 量 多 晶 态 物质 中基 本 元 激 发及
团簇 、生物 大 分 子 和 蛋 白质 等 ）的 尺 度 分 布 越 来 越 相应的态密度等 ，而 ＣＡＲＲ 的三轴谱仪利用单色能
大 ，获得 数量 在 克量 级 的样 品也 越来 越 困难 。因此 ， 量的甄别 ，重点测 量单 晶物 质中各种激发 的色散关
小样品的快速、高分辨 的中子散射测量迫切需要新 系等 。除 中子 散 射 外 ，ＣＳＮＳ与 ＣＡＲＲ在 其 他 研 究
一 代通 量更 高 、波段更 宽 的中子 源 ，散裂 中子 源应 运 和应 用 的领 域 内也 各 具 优 势 。例 如 ，ＣＳＮＳ有 利 于
作 为探 测微 观结 构 的两 种 主要 探 针 ，同步辐 射 和 中 子散 射 看到 的正 好是 物质 的两 个不 同方 面 。这种 优 势互 补 已被许 多 学科 用来 准确 研究 物质 中原 子 的位 置 、排 列 、运 动和相 互 作 用 等 ，图 １是 利 用 中子 散射 观察 到 的含水 溶解 酵 素蛋 白和肌 红 蛋 白的结 构 。
中国先 进 研 究 堆 （ＣＡＲＲ）预 计 将 在 ２００８年 建 １０ ｃｍ－２Ｓ 的脉 冲 中子 ，其脉 冲中子 通量 已高 出通
成 ，它将成 为 亚洲领 先 的 中子散 射 中心 。然 而 ，相 对 量最 高 的反应 堆 近 一 个 量 级 。对 于 中子 散 射来 说 ，
于前述 脉 冲散 裂 中子 源 的一 系列 优 点 ，ＣＡＲＲ 堆 上 散裂 中子 源 的脉 冲特性 使人 们 可 以方便 地采用 飞行
中子不带 电、具 有 磁 矩 、穿 透 性 强 ，能 分 辨轻 元 素 、同位 素和 近邻 元素 以及 具有 非破 坏性 ，使 中子散 射成 为研 究 物 质 结 构 和 动 力 学 性 质 的 理 想 探 针 之 一 是 ， 多学 科研 究 中探 测 物 质 微 观 结 构 和原 子 运 动 的强有力手段。 自 １９３６年成功进行首次 中子衍射 实验 以来 ，中子散射 已广 泛用 于物 理 、化学 、材料 、生 物 、地 质 、能 源 、医疗 卫 生 和环 境 保 护 等众 多研 究 领 域。同步辐射产生的高亮度 ｘ射线 ，主要与原子外 围的电子云发生相互作用 ，从而探 知物质 的微观信 息 ；而 中子 是 电 中性 的 ，它 与 电 子 云 基 本 不 发 生 相 互 作 用 ，而 主要 与 物质 中的原 子 核相 互 作用 。因此 ，
金 属靶 而产 生 中子 的大科 学 装置 。通 过原 子 的核 内
自上世 纪 ８０年 代起 ，由质 子 加速 器驱 动 的散裂
级联 和核 外 级联 等 复 杂 的 核 反应 ，每 个 高 能 质 子 可 中子 源 ，逐渐 进 入 实 际 应用 阶段 。世 界 上正 在 运 行
产 生 ２０～４０个 中子 ，每 产生一 个 中子 释放 的热量仅 的脉 冲式散 裂 中子 源 主 要 有 美 国的 ＩＰＮＳ和 ＬＡＮ—
而生 。脉 冲散裂 中子 源 突破 了反 应 堆 中子 源 的 中子 质 子 治疗 、介子 应用 、基 础 中子物 理研 究及 核废 料嬗
通 量上 限 ，正 快 速 向前发 展 。
变 研究 等 ，ＣＡＲＲ堆则 更有 利 于 同位素生 产 、半导 体
散 裂 中子源 是 由加 速器 提供 的高能质 子轰 击重 辐 照 、中子 照相 等 。
中子散 射 的作 用 既与 同步 辐 射 互 补 ，又 具 有独 特和不可替代性 。其先进性与优越性表现在 ：①具 有 宽泛 的波 长范 围 ：从 零 点 几 埃 到 亚 微 米 范 围 内连 续 可调 。是度 量 原 子 、分 子 和 原 子 分 子 团簇 间距 离 从 埃到 纳米 范 围 内的凝 聚态物 质微 观 结构最 适 合 的 标尺 ；②有合适的能量覆盖 ：热中子的能量从微电子 伏特 到 电子伏 特 ，与 凝 聚 态 物 质 中的大 部 分 动 态 过 程 的能量 相 当 ，适 合 研 究 物 质 中各种 不 同 的相 互 作 用 和动态 过程 ；③能精 确 确定轻 原 子 的位置 ；④ 能 区 分 同位素 ：原子 核 内 中子数 的 变化 可 以极 大 地 影 响 其对 中子 的散 射 。⑤ 存 在 磁 散 射 ，是 研 究 磁 性 微 观 对 称 性 和磁矩 运 动最直 接 的工具 ；⑥ 高 动量转 移 （Ｑ 值 ）的散射 强度 明显 ：有 利 于研究 物质 中原 子周 围局 部 的细微 变化 和复 合 材 料 的 结 构 特 征 ；⑦ 具 有 高 穿 透 性 ：对 工 业 上 常 用 的钢 铁 和 铝 的 穿 透 深 度 约 为 ７ｍｍ 和 ６５ｒａｍ；⑧拥 有非 破 坏性 ：应用 热 中子 散 射 ， 不破 坏 生物样 品 的活 性 ，特 别适 用 于 研 究 生 物 活性 体 系 。
目前 ，全球公 认 通 量 最 高 的 中子 散射 研 究 用 堆 是 法 ＣＳＮＳ的衍射 谱仪 将 重点 关 注 高 动量 转 移 的衍 射 数
国的 ＩＩ上 （位 于 法 国 小 城 Ｇｒｅｎｏｂｌｅ），通 量 为 １．５× 据 ，而 ＣＡＲＲ 的衍 射谱 仪 更有 利 于小 的 动量 转 移 数
得 日益强 大 。散 裂 中子源 的特 点是 在 比较 小 的体积 有 中 国 的 ＣＳＮＳ、韩 国 的 ＰＥＦＰ和 印度 的 ＩＳＮＳ等 。
内可 产生 比较 高 的 脉 冲 中 子通 量 ，能 提供 的 中子 能 ＳＮＳ和 Ｊ－ＰＡＲＣ 的 设 计 束 流 功 率 超 过 了 １ＭＷ ，
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谱更 加宽 泛 ，大大 扩展 了 中子科 学研 究 的范 围 。
现代物理知识
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反应堆正常运行。正是 因为堆芯散热条件的限制 ， 的表征 ；ＣＡＲＲ谱仪每次都测量某一特殊 的动量能
反 应堆 中子 通量 在 上 世 纪 六 七 十 年 代 就 达 到 饱 和 。 量 变 化 点 ，适 合 物 质 某 些 特 定 性 质 的 精 确 表 征 ；
过 国际合作 开展 中子 散射 研究 。为适应 我 国科 学研
究 的发 展 、增 强 我 国基 础 科学 的原 始创 新 ，尽快 建设
图 ２
我 国 的先 进 中子 源和 相应 的 中子散 射 国家 实验 室势
目前 世 界上 最亮 的散 裂 中子 源—— 英 国卢瑟 福
在 必行 。
实验 室 的散 裂 脉 冲 中 子 源 ＩＳＩＳ能 产 生 通 量 为 ８×
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关奇点具体性质 的信息。这一缺点为后人加强奇点 定 理 的结论 部分 留下 了空 间 。不 过要想 加 强奇点 定 理 的结论 部分 ，往 往 不 可 避 免 地 对 前 提 部分 也 要 予 以加强 。然 而 ，这 会有 损定 理 的普 遍性 。
（作者 主 页 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｈａｎｇｈａｉ．ｏｒｇ／）