散裂中子源

在中子未被發現以前，人們對於原子核的內部結構不完全清楚，發現中子之後，人們 才知道原子核是由中子與質子組成的。因此，中子的發現對認識原子核內部結構是一個轉折點，具有重大的理論意義，也為原子能的利用開闢了道路，可以說中子敲開了人類進入原子能時代的大門。

費米(Enrico Fermi，1901-1954)因發現用中子產生新的放射性元素和開展慢中子核反應的研究工作，獲得了1938年度諾貝爾物理學獎。費米用中子轟擊了周期表中的所有元素，並辨認了因此而產生的具有放射性的元素。費米和他的同事觀察到：把中子源和被轟擊的物體放在大量石蠟中，放射性會增加很多倍。水也會產生類似的效應。費米用“慢中子”解釋這一現象。他認為，由於質子和中子的質量相等，所以當快中子與靜止的質子發生碰撞時，快中子損失能量變為“慢中子”，慢中子與重原子核的反應截面比快中子大得多。慢中子的發現為後來研究重核裂變的鏈式反應和原子核反應堆的理論設計奠定了基礎。

哈恩(Otto Hahn，1879-1968)和斯特拉斯曼(Fritz Strassmann，1902-l980)1938年進行了中子撞擊鈾的實驗，發現了中子誘發鈾裂變。

奧地利女物理學家梅特納（Lise Meitner，1878-1968）和她的侄子弗瑞士（Otto Robert Frisch，1904-1979）認為：玻爾（Niels Henrik David Bohr 1885-1962）提出的原子核的液滴模型，很好地解釋了重核的裂變。玻爾設想原子核像一滴水，當外來的中子闖進這個“液滴”時，“液滴”會發生劇烈的震蕩。它開始變成橢圓形，然後變成啞鈴形，最後分裂為兩半。不過，這個過程的速度快得驚人。

美國生物學家阿諾德對此也很感興趣。他說，如果原子核就像一滴液滴，被中子擊中以後分裂成為兩個原子核，這種情形很像顯微鏡下看到的細胞繁殖時的分裂現象。

梅特納和弗瑞士很受啟發，他們正在尋找一個合適的名詞，來表示原子核被打破而分裂的現象，決定採用用細胞分裂的“分裂”（在英文中，原子核的“裂變”和細胞“分裂”，兩個名詞都叫fission。）這個名詞，來表示原子分裂，把它稱做“核裂變”，或“原子分裂”。

梅特納用數學方法分析了實驗結果。她推想鋇和其它元素就是由鈾原子核的分裂而產生的。但當她把這類元素的原子量相加起來時，發現其和並不等於鈾的原子量，而是小於鈾的原子量。說明在核反應過程中，發生了質量虧損。梅特納認為，這個質量虧損的數值正相當於反應所放出的能。她根據愛因斯坦的質能關係式算出了每個鈾原子核裂變時會放出的能量。

弗瑞士用實驗證實這種設想，他也用中子轟擊鈾，當中子擊中鈾核時，能觀察到那異常巨大的能量幾乎把測量儀錶的指針逼到刻度盤以外。弗瑞士與梅特納於1939年2月在《自然》雜誌上發表了他們的報告。

鈾核分裂產生的這個能量，比相同質量的化學反應放出的能量大幾百萬倍以上。這種新形式的能量就是原子核裂變能，也稱核能，或原子能。但當時，只注意到釋放出驚人的能量，忽略了釋放中子的問題。稍後，哈恩、約里奧·居里及哈爾班等人又有了更重要的發現：在鈾核裂變釋放出巨大能量的同時，還放出兩、三個中子來。

這發現十分驚人，如果說原子核數量足夠多，重元素的體積和重量足夠大的話，那麼裂變放出的次級中子，還有可能引發臨近的原子核進一步產生裂變，這個過程可以會不斷地持續下去，這個過程稱為鏈式反應。這意味著：極其微小的中子，將有能力釋放沉睡在大自然界中幾十億年的物質巨人。這一發現，終於打破了盧瑟福等人認為開發利用原子能量的設想不可能的結論，裂變和鏈式反應，構成了核能利用的基礎。

1932年查德威克（James Chadwick，1891-1974）發現中子。他精心設

計實驗，用α粒子轟擊鈹，再用鈹產生的射線轟擊氫、氮，結果打出了氫核和氮核。由於γ射線不具備將從原子中打出質子所需要的動量，他斷定這種射線不可能是γ射線。他用儀器測量了被打出的氫核和氮核的速度，並由此推算出了這種新粒子的質量。他認為，只有假定從鈹中放出的射線是一種質量跟質子差不多的中性粒子，才能解釋。因這種粒子不帶電，所以稱為中子。查德威克因此獲得1935年諾貝爾物理學獎。1944年，哈恩因為發現了“重核裂變反應”，榮獲諾貝爾化學獎，但梅特納和斯特拉斯曼卻沒能獲此殊榮。

1942年，費米領導了世界上第一座原子核反應堆的建設和試驗工作，並研究使鏈式反應變為連續、緩慢、可控的核反應，使核能平緩地釋放出來。12月2日，在美國芝加哥體育場的看台下，世界上第一座用石墨作減速劑的原子核反應堆竣工落成。原子核反應堆能可控地放出大量的能量，人類從此進入了核能時代。

1945年7月16日，由美國研製的世界上第一顆原子彈爆炸成功。8月6日，美國就在日本廣島投下了第一枚軍用原子彈，一座繁榮的城市在一剎那間被全部毀滅，成了煙霧瀰漫的廢墟。三天以後，即8月9日，美國在日本的另一個城市長崎投下了第二顆原子彈。

1946年沙爾（Clifford Glenwood Shull, 1915-）用中子衍射研究磁性材料。沙爾用中子衍射技術顯示氫原子在晶體中的位置，可以更全面地了解許多無機和有機物質的晶體結構。沙爾研究了中子磁矩與順磁物質中原子磁矩發生的散射，推動了磁結晶學的發展。他還研究了極化慢中子輻射的應用，發明了中子干涉系統，為研究中子與物質之間相互作用而產生的各種基本效應提供了極其靈敏的工具。

1952年11月1日，美國在太平洋比基尼島核試驗基地爆炸成功了世界上的第一顆氫彈，它為1040萬噸TNT當量，相當於投向日本廣島那顆原子彈威力的800倍。當這顆氫彈在幾百米高的鋼架上起爆之後，整個小島連同鋼架都在巨大的爆炸場中沉入太平洋深處，再一次震驚了全世界。

1954年1月21日，人類第一艘核動力潛艇——美國海軍的“鸚鵡螺”號下水，當年底全部竣工，1955年1月17日進行了首次試航（艇長90米，排水量2800噸，當時的造價為5500萬美元，最大航速25節，最大潛深150米）。從理論上講，它可以以最大航速在水下連續航行50天、航程3萬海里而無需添加任何燃料。艇上還裝備了自導魚雷。從下水到1957年4月更換第一個反應堆活性區為止，“鸚鵡螺”號總航程達62526海里，僅消耗了幾公斤鈾。而常規潛艇要是以同樣速度航行同樣距離，將會消耗大約8000噸燃油。

1954年6月，世界上最早的商用核電站位於蘇聯奧布寧斯克(Obninsk)的物理和電氣工程院，開始發電，功率5000KW。核電站利用原子核內部蘊藏的能量大規模生產電力，核電站使用的核燃料含有易裂變的物質鈾-235。一座100萬千瓦的核電站每年只需要補充30噸左右的核燃料，而同樣規模的火電廠每年要燒煤300萬噸。

1955年布羅克豪斯（Bertram Niville Brockhouse，1918-）用中子散射研究晶格動力學。他致力於中子非彈性散射技術的研究，在原有的單軸和二軸中子譜儀的基礎上設計了三軸譜儀，得到了廣泛的應用，已經成為研究凝聚態物理的基本工具，幾乎大多數人事凝聚態物理研究的中子束反應堆實驗室都擁有這一設備。

直到1994年，沙爾和布羅克豪斯才因此獲得諾貝爾物理學獎。遲到的榮譽表明：經過幾十年的實踐，中子散射的重要性已經得到國際學術界的公認。

用中子散射技術來進行材料科學和生命科學研究，與X射線技術以及同步輻射技術相比具有以下特點和優勢：

1、中子具有同位素識別能力。中子與核的相互作用可以輕易地識別同位素，包括像氫、碳、氧，還可以識別原子係數相鄰的元素，如鐵、鈷、鎳，對有機化合物和生物大分子的研究，對有 機化合物和生物大分子的研究以及一些合金材料和磁性材料的研究特別有利。因此，中子科學裝置成為開展生命科學研究重要的平台。

2、中子不帶電，但有磁矩，它和晶格的磁散射是直接探測物質磁性結構和磁動力學的唯一物理工具，可以用來研究磁性材料的磁結構和磁相互作用，現代磁學就建立在中子散射技術所取得的一些成果上，可以說沒有中子散射技術，就沒有現代的磁學。

3、中子的波長和晶格參數相近，中子的能量和晶格的元激發可比，因此中子可用於研究固體的結構和動力學特怔。中子非彈性散射是研究動力學特怔的理想的物理工具。長波中子小角散射是研究納米、生物、聚合物大分子的特殊實驗工具。

4、中子具有較強的穿透力。因為中子和物質的相互作用沒有庫侖位壘的影響，同時也不會引起電離，因此它穿透力強，可以觀測樣品的整體效應，可在高溫高壓等極端條件下不受容器和裝置的影響觀察物質結構。

5、熱中子引起的損傷較小，是一種高度無損的技術。對生物體的損傷，熱中子比X射線要小一百倍，特別適用實時地研究生物活體（如蛋白質，病毒的生命活動）。

左圖為用X射線觀察到的含水大分子的結構，右圖為中子散射觀察到的含水大分子的結構

散裂中子源與反應堆中子源相比有以下優點：

1、它和脈衝時間飛行技術結合后，能使用脈衝散裂中子源產生的中子脈衝

里的全部中子，並有極高的能量解析度。從而使譜儀的樣品處的中子通量和核反應堆相比提高了100倍以上。比如英國ISIS脈衝中子源的粉末衍射儀GEM，只需1毫克的樣品就能測出衍射譜。美國在建的MW級SNS脈衝散裂中子源的工程材料衍射儀，只用1/10秒就能測出衍射譜。比核反應堆的相應衍射儀快幾百倍。

2、脈衝技術給出高解析度和低本底。脈衝中子源的譜儀具有最高的能量解析度（d/dd=0.04% 和0.1mev）。脈衝當中含不同波長的超熱、熱和冷中子，因此譜儀的頻寬大，和核反應堆的譜儀比較，能將能量轉移範圍擴大5-10倍。 3、脈衝中子源不用核燃料，不產生核廢物，不污染環境。停電就不再產生質子、中子，絕對安全。

4、建造費和運行費較低。散裂脈衝中子源的配套工程較少（不需要核反應堆必備的龐大的冷卻水系統，核廢料的貯存轉運空間，和複雜的多層次核反應安全保護系統）。特別要提到的是慢化中子用的慢化器的製冷功率僅二、三百瓦，比核反應堆用的小十倍，製冷系統的投資和運行費用也大致小十倍，大大降低散熱和致冷的投資。

中子的發現及其應用是二十世紀最重要的科技成就之一。中子誘發核裂變的發現導致了核武器和核能源的開發。中子是研究物質結構和動力學性質的理想探針，中子散射技術已在很多基礎學科中如凝聚態物理（固體和液體），化學（特別是高分子化學），生物工程，生命科學，材料科學（特別是納米材料科學）等多學科領域的研究中被廣泛採用。中子生產的人工放射性同位素、中子活化分析、中子摻雜生產半導體器件、中子輻照加工等等，已被廣泛應用於醫療和工業，併產生了巨大的經濟效益。

最早期使用的中子源是放射性同位素中子源，將可以自發發射α射線的元素與靶物質混合在一塊，靶物質吸收一個α射線粒子即可放射出一個中子，通過這種反應產生中子，其優點是中子源非常微小，用起來比較方便，但缺點也很明顯，因為這種中子源的強度達不到太高，即中子注量率非常低，同時，這種中子源通常受到壽命的限制，隨著時間的推移其源強逐漸衰減，這些缺陷影響和限制了它的使用。

20世紀用於中子核物理研究的主要工具是用低能粒子加速器產生的帶電粒子束轟擊靶，通過核反應來產生中子，它的特點是，能量單一、脈衝性能比較好，這對於精密的核物理實驗非常重要。缺點是中子的注量相對較低，中子產生效率較低，不太經濟。例如用400千電子伏特的氘反應來產生中子，每產生一個中子，要消耗一萬兆電子伏特的能量。因此，低能加速器中子源不適合於生產同位素、生產核材料。

反應堆中子源應用最為廣泛。一般情況下反應堆中子源所能提供的中子注量率為1013-14/cm2.s，20世紀90年代之後，國際上已經有了高通量研究性反應堆，中子注量率可以達到1015/cm2.s，一些大型的快堆，可達5×1015/cm2.s，接近反應堆中子源受材料與熱工限制的極限，已是相當強的中子源。但由於反應堆散熱技術的限制，反應堆提供的中子通量很難超過當前美國的HF高通量堆達到的最高指標 3 ×10 15 n/cm2.s。

散裂中子源的出現突破了反應堆中子源中子通量的極限。當快速粒子如高能質子轟擊重原子核時，一些中子被“剝離”，或被轟擊出來，在核反應中被稱為散裂。散裂反應和裂變反應的不同點是：它不釋放那麼高的能量，但它可以將一個原子核打成幾塊，可能是三塊，也可能是四塊，這個過程中會產生中子、質子、介子、中微子等產物，對開展核物理前沿課題研究和應用研究非常有用，且所產生的中子還會在相臨的靶核上繼續通過核反應產生中子——即核外級聯。一個質子在後靶大概可以產生20到30個中子，這是散裂中子源的基本條件。

20世紀80年代起，質子加速器驅動的散裂中子源，逐漸地進入實際應用階段。其原理比較簡單，用中能強流質子加速器，產生1GeV左右的中能質子（束功率為兆瓦量級）轟擊重元素靶（如鉛、鎢或者鈾、釷重靶），在靶中產生散裂反應，具有高有效中子通量、無放射性核廢料等特徵。

散裂中子源的特點是在比較小的體積內可產生比較高的中子通量，每個中子能量沉積比反應堆低4-8倍 單位體積的中子強度比裂變堆高4-8倍 可用較低功率產生與高通量堆相當或更高的平均中子通量。要達到1×1015/cm2.s 的平均中子通量，散裂源需5兆瓦束功率，而高通量堆則需60兆瓦熱功率。散裂中子源的脈衝特性是由加速器所決定的，因此它的脈衝化對於中子通量並不造成損失，如果配上飛行時間技術，可以具有很高的時間分辨性能，對於開展材料和生命科學中，包括一些中子核物理，一些動態特性的研究極為關鍵。散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣，它可以提供從電子伏特，到幾百兆電子伏特寬廣能區的中子，大大地擴展了中子科學研究的範圍，拓深了中子科學研究的領域。發達國家正把建設高性能散裂中子源作為提高科技創新能力的重要措施。

展望21世紀中子科學裝置的主流發展趨勢，一是高通量研究性反應堆，另一是散裂中子源，高通量反應堆的源強要達到 1×1015/cm2.s，散裂中子源束功率要達到兆瓦量級。這兩類中子源的特點和優勢互相補充，成為材料、生物、生命、核物理等學科研究不可缺少的工具，為相關尖端技術如納米、信息、環境、醫藥等的發展提供創新的平台。兆瓦級的多用途脈衝散裂中子源是當前世界上中子源發展趨勢，它為21世紀前沿科學發展作出的貢獻不可估量。它不但是為物理、化學、生物、材料等基礎研究課題服務的中子散射的大科學平台，也可以成為為核物理、天體物理、核醫學、核化學、能源工業和國防建設服務的大科學平台。

21世紀，中子作為研究物質微觀結構的一個理想探針將在基礎研究領域發揮重要的作用。散裂中子源與高通量研究性反應堆，也將在21世紀最有生命力、最活躍的學科，如材料科學、生命科學和一些工程技術應用領域，繼續發揮它的重要作用。在人們解出基因結構后，蛋白質與生物大分子聯合體的結構與功能便成為生命科學的主要挑戰之一。中子是確定蛋白結構中氫原子位置的最有力的方法，為理解蛋白功能及藥物設計提供不可缺少的信息。

工程材料、金屬疲勞、氫化、腐蝕、形變每年造成上萬億元的損失和無數嚴重事故。高通量中子能穿透一切金屬體，為理解材料的這種變化的機理，以找出合格的新工程材料及新工藝有了可能。美國一飛機製造公司花上百萬美元將發動機裝上脈衝中子源的譜儀，在發動機運轉時實時測定機件材料的疲勞過程和改進。

比鐵重的重元素的合成，主要來源於中子俘獲，即它吃掉一個中子放出一個光子，原子序數不變，但質量數增加一位。這個過程可以不斷地進行，它還要繼續吃中子，當然還要經過beta衰變。從鐵開始，到錒系核，這些核素的產生都是這樣形成的。要模擬這樣一個過程，必須知道大量的中子俘獲截面準確數據，用其他的中子源開展這方面的測量很困難，或者說不可能。因為有一些截面很小，作用幾率很低。有一些核素它的同位素樣品，製備起來很困難，所以樣品量很小，用一般低強度的中子源無法進行實驗，只能用高通量堆或散裂中子源來做實驗。

中子和核子的相互作用，或者說中子和靶核的相互作用都是強相互作用。如果用質子打靶去做研究，因為有庫侖位壘的關係，理論描述非常複雜，而用中子打靶去做研究，描述就非常簡化。所以用中子開展這類實驗，可以非常清晰地獲取強相互作用的有關信息，非常有意義。

核物理學科和天體物理學科的交叉研究形成了新的學科——核天體物理學，該學科主要研究恆星元素的形成以及它的丰度分佈，中子核反應有若干參數在其中起著至關重要的作用。高通量堆及兆瓦的散裂中子源能提供的源強，可以用來研究一些極其罕見的稀有的事件。以非常低的樣品量來開展這方面的研究工作，有很大的實際意義，如天體物理研究用到的一些參數非常重要，要做這種參數的測量，同位素的樣品的製備極為不易，樣品量不可能高，如果採用強流中子科學裝置，就有可能只使用納克量級的樣品量就能完成研究工作。

氚是重要的軍用核材料，一台功率為5 MW的質子加速器驅動的散裂中子源可以有年產60克氚的能力。一個50～100kW束功率的加速器有年生產2公斤鈈的能力。航天器件的空間輻照效應已經成為影響衛星壽命的主要因素之一，用加速器進行空間輻照效應的模擬是唯一的地面實驗方法，一個中能的質子加速器可以在這方面發揮重要的作用。

美國Los Alamos 國家實驗室正在運行的中等水平的散裂中子源（LANSCE）上有一個以武器中子研究（WNR）命名的實驗終端。它在禁試情況下為保持核威懾力量而進行的相關研究中扮演著重要的角色。

兆瓦級級中能強流質子加速器還可作為開展潔凈核能源（ADS）相關的物理及技術研究的一個台階，強流中子束有可能將核反應堆產生的長壽命放射性同位素轉變為短壽命和穩定同位素，變核廢料為核原料，開發新核能源。

在其他重要應用領域，如中子活化分析、中子摻雜生產半導體器件、中子輻照育種、中子探傷、中子照相、中子測井等等，廣泛地服務於像國家安全、資源勘測、環境監測、農業增產等等領域都產生了不可估量的社會效應。

1、20世紀70年代初，美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的LAMPF強流質子直線加速 器，是世界第一台散裂中子源。

2、1977年，美國LANL又在LAMPF後面建立了一個儲存環，將LAMPF輸出的質子束轉化為中子束以產生脈衝中子源。

3、20世紀80年代，美國ANL的IPNS和日本KEK的KENS。

4、1985年，英國盧瑟福實驗室建成ISIS環形加速器，能量為800MeV，平均流強為230 µA，是迄今為止世界上最強的脈衝散裂中子源。

5、2014年10月15日上午，經過三年的施工，中國散裂中子源項目的第一台設備——負氫離子源在東莞“下隧道”安裝，標誌著該項目正式進入項目設備安裝階段，為2016年試運行打下堅實基礎。