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來源：互聯網

散裂中子源（英語：spallation neutron source，簡稱SNS），用能量幾百MeV到GeV量級輕帶電粒子轟擊重元素靶核，引起散裂反應產生中子的中子源。散裂中子源能是新一代的加速器基脈沖中子源，能為中子散射提供高通量的脈沖中子。

1920年，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）首次提到原子核里中性子的概念。1932年，英國物理學家詹姆斯·詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在讓·約里奧－居里夫婦（F. Joliot-Curie and I. Joliot-Curie）工作的基礎上通過進一步的實驗，發現了中子。20世紀80年代起，由質子加速器驅動的散裂中子源，逐漸進入實際應用階段。英國盧瑟福實驗室名為ISIS的散裂中子源裝置，從上世紀八十年代建成一直到2007年，一直是世界上亮度最高的散裂中子源。到二十世紀九十年代，美、日、歐等發達國家相繼提出建設束流功率為兆瓦量級的散裂源。截至2024年初，全球已建成的4個散裂中子源裝置分別為美國的SNS、日本的J-PARC 、英國的ISIS和中國的CSNS。2025年6月7日，中國散裂中子源新設備通過驗收，實現國際首次突破。

散裂中子源的特點是在較小的體積內可產生較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的范圍；它具有高脈沖通量和優越的脈沖時間結構，且不使用核燃料，只產生極少量活化產物等獨特優點。散裂中子源在日常生活中應用廣泛，包括結晶材料、醫藥/結構生物學、磁學和超導、復雜流體和聚合物等多個領域。此外，CSNS的1.6 GeV高能質子束流在航天設備測試和粒子探測器測試方面都有重要應用。

歷史沿革

發現中子

1920年，歐內斯特·盧瑟福在皇家學會貝克里安講座的演講中提出：也許在原子核這樣微小的范圍內，多余的質子吸引了核外電子，形成了一種質量與質子相近的中性粒子。由于當時實驗中用的粒子是利用鐳的自然衰變產生的，能量不高，始終無法擊碎原子核。在有了粒子加速器后，也因當時的加速器能量不夠高，轟擊原子核的嘗試一直沒能取得大進展，原子核的神秘大門并未打開。1932年，讓·約里奧－居里用鈹射線轟擊石蠟和其他含氫物質，觀察到石蠟中放射出一種強粒子流。然而，約里奧居里夫婦沒有深究，把這一現象解釋為γ射線對質子產生康普頓散射，最終與發現中子失之交臂。詹姆斯·查德威克（James Chadwick）根據約里奧-居里夫婦的實驗，敏銳地覺察到鈹輻射絕不是γ輻射，很可能是由鈹中射出的新的粒子組成的。1932年，詹姆斯·查德威克在約里奧-居里夫婦工作的基礎上通過進一步的實驗，發現了中子。

中子散射應用

自1936年人們成功地進行了首次中子衍射實驗以來，中子散射已應用到物理、化學、材料、生物、地質、能源、醫療衛生和環境保護等眾多研究領域。1946年，美國沙爾（Clifford G. Shull）教授用中子衍射研究磁性材料。他用中子衍射技術顯示氫原子在晶體中的位置，可更全面地了解許多無機化合物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。

1955年，加拿大布羅克豪斯（Bertram N. Brockhouse）教授用中子散射研究晶格動力學。他致力于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，幾乎大多數從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。沙爾和布羅克豪斯教授因他們在中子散射領域內的開拓性工作，獲得1994年度諾貝爾物理學獎。

散裂中子源發展

20世紀80年代起，由質子加速器驅動的散裂中子源，逐漸進入實際應用階段。其原理比較簡單，用高能強流質子加速器，產生1GeV左右的質子轟擊重元素靶（如鎢或），在靶中產生散裂反應。散裂中子源的特點是在比較小的體積內可產生比較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的范圍。英國盧瑟福實驗室的ISIS，從上世紀八十年代建成一直到2007年，一直是世界上亮度最高的散裂中子源，其脈沖中子通量已高出通量最高的反應堆近一個量級。到二十世紀九十年代，美、日、歐等發達國家開始認識到能提供更高中子通量和更高中子利用效率的散裂中子源在現代科學技術中的重要地位，相繼提出建設束流功率為兆瓦量級的散裂源。

2001年2月18日，中國科學技術部召開以《21世紀中子科學的發展》為主題的香山科學會議，專家提出在中國建設散裂中子源的設想。2005年7月19日，中國散裂中子源項目獲批。2007年2月13日，中國科學院與廣東省政府簽署合作備忘錄，雙方共同向國家申請在東莞市建設散裂中子源裝置。同年4月26日，東莞中子科學中心在松山湖科技產業園正式掛牌。2011年10月20日，中國散裂中子源在東莞舉行工程奠基典禮，正式開工建設。2017年8月16日至9月13日，中國散裂中子源（CSNS）低溫系統進行了為期4周的首輪運行，期間經歷了首次打靶。2018年8月23日，中國散裂中子源項目順利通過國家驗收，投入正式運行。2019年2月2日，小行星3789散裂中子源完成首輪開放運行任務。2023年1月11日，中國散裂中子源二期工程可行性研究報告獲批。該工程建于東莞市、計劃于2024年開工。2025年6月7日，中國散裂中子源（CSNS）直線加速器首支緊湊型P波段大功率超構材料速調管，在中國科學院高能物理研究所東莞研究部通過各項指標測試，順利完成驗收。

原理

散裂中子源由質子加速器、產生中子的靶站和中子散射譜儀等三部分組成。散裂中子源的原理是利用質子加速器產生的高能質子，轟擊重元素靶，將重金屬的原子核打碎發生散裂，產生高通量、短脈沖中子，當中子束流入射到樣品被散發出來，由靶站周圍的譜儀接收，科研人員可以通過中子能量和動量的變化，從而獲得樣品結構信息。

質子加速器是用于加速質子的儀器，它是用人工方法使帶電粒子(質子) 在電場中加速到需要的能量，并產生一定質子束流的裝置。靶站是產生中子的核心裝置，通常是由重金屬靶、慢化器、反射體、冷卻系統和生物屏蔽體等部分組成。作為產生中子的關鍵部件，除要求其中子產額高外，重金屬靶還必須有良好的導熱、抗腐蝕和抗輻射損傷等性能，同時還盡可能避免產生長半衰期同位素，以保證裝置穩定、高效、長期地安全運行。中子散射譜儀是一種能深入研究材料內部結構和運動等性質的測量儀器。中子散射譜儀按其探測中子物理量的變化可分為兩類：彈性散射譜儀和非彈性散射譜儀。彈性散射譜儀主要研究物質中原子、分子等的位置，即結構信息。非彈性散射譜儀主要研究物質中原子、分子等是如何運動的，即動力學過程。

特點

散裂中子源的特點是在較小的體積內可產生較高的脈沖中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣，大大擴展了中子科學研究的范圍；它具有高脈沖通量和優越的脈沖時間結構，低本底，且不使用核燃料，只產生極少量活化產物等獨特優點。同時，散裂中子源也存在造價高、技術復雜，中子探測起來困難，實驗的難度高的缺點。

優點

高脈沖中子通量：有效脈沖中子通量可比反應堆高幾個量級。

豐富的高能短波中子：中子慢化器中釋放的超熱中子與反應堆相比高出1～3個數量級，為高動量和高能量轉移的中子散射提供了保證。??

優越的脈沖時間結構：短脈沖散裂中子源的脈沖寬度在微秒量級，相臨脈沖的時間間隔在毫秒量級。中子譜儀可方便地采用飛行時間技術，大幅度地提高了熱中子的利用效率。

低熱功率：現代散裂中子源的束流功率從百千瓦到兆瓦不等，但均遠小于反應堆的十至幾十兆瓦。散裂源每產生一個中子釋放約45MeV的熱量，而反應堆則需釋放180MeV的熱量。??　　

低本底：僅在脈沖產生時存在快中子本底，大幅度地提高了中子散射數據的信噪比。??

不使用核燃料：散裂中子源是通過加速器加速質子轟擊重金屬靶產生中子，不需要核燃料，沒有核臨界問題。??

活化產物少：與反應堆相比，散裂中子源產生的活化產物數量少三到四個量級。

缺點

造價高：散裂中子源的造價比較高，日本散裂中子源造價17億美元，美國散裂中子源造價14億美元。中國的散裂中子源國產化率超過了90%，造價為18億元人民幣。

技術復雜：散裂中子源裝置是各種高、精、尖設備組成的復雜整體。

中子探測困難：由于中子本身不帶電，不會引起電離和激發，無法進行直接探測。因此中子的探測是通過中子與敏感材料相互作用，產生帶電粒子或光子實現間接探測。

實驗的難度高：散裂中子源的關鍵核心設備為P波段大功率速調管，大功率速調管這種電真空器件，零部件數以百計，涉及多個學科領域。高通過率電子光路要求傳輸效率達到100%，所有零部件的安裝精度要控制在20個微米之內，這個數值只有人頭發絲直徑的1/4。速調管的真空標準是標準大氣壓的千億分之一。

應用領域

散裂中子源在日常生活中應用廣泛，包括結晶材料、醫藥/結構生物學、磁學和超導、復雜流體和聚合物等多個領域。此外，CSNS的1.6GeV高能質子束流在航天設備測試和粒子探測器測試方面都有重要應用。

結晶材料

散裂中子源所提供的高通量中子可以擴展材料科學方面研究的范圍。科學家們可以研究更小的樣品，例如電子學器件（比如CD播放機等）的多層薄膜結構。這種結構可用于未來的電子器件中，以改進筆記本電腦、噴墨打印機、錄像機和蜂窩式電話網絡的性能。

散裂中子源每隔幾分鐘（甚至幾秒鐘）就可以提供一個完整的中子衍射圖，使得研究人員能夠對發生在蓄電池中的許多過程進行時間跟蹤研究。科學家們可以在分子水平追蹤物質的行為，比如蓄電池或燃料電池中的快速離子導體發生了怎樣的變化；對石油和化學工業中的催化劑來說，溫度變化對催化劑的影響是怎樣的；旋轉渦輪葉片升溫和變形時，其晶體結構有怎樣的變化；水泥吸水時，其微粒發生了怎樣的變化；以及壓力升高時，置于研究地質用的多砧壓具里的土層材料又有怎樣的變化。

醫藥/結構生物學

散裂中子源有助于研究酶的活性。將某塊培養基摻入原子，利用中子散射技術，散裂中子源能夠告訴科學家酶活性區域的位置，以及某種潛在藥物黏附到該區域以阻止酶不良活動的可能性。利用散裂中子源的技術，中國自主研發出加速器硼中子俘獲治療（簡稱BNCT）實驗裝置，該實驗裝置為中國醫用BNCT治療裝置產業化奠定了技術基礎。它的原理是利用經過照射的中子與給病人注射的含硼藥物進行反應，產生高殺傷力的α粒子和鋰離子，精準“殺死”癌細胞。

磁學和超導

在磁學和超導方面，先進的散裂中子源能提供足夠多的中子，由于中子具有磁矩，可以揭示其他任何方法所無法獲取的材料磁性特征的詳細情況。這些信息對于開發高密度記錄介質，如盒式錄音磁帶、錄像帶、CD和計算機盤至關重要；在材料向超導狀態過渡時，散裂中子源能提供的中子可以幫助科學家們控制磁性所起的作用，從而有助于了解高溫超導體如何工作，如何能在相對高溫時保持其超導性。懂得了這一點，就能生產出導電性更好的超導材料，并有可能改善高功率傳輸線和高磁場磁鐵的性能。這些基本信息可應用于設計高速的電子學設備。

復雜流體

利用散裂中子源的高亮度中子束能夠加速人造血液的開發；散裂中子源提供的信息還有助于生產用于食品加工和化妝品的膠囊；有助于控制微觀流體的流動以提高潤滑劑的性能；有助于合成添加劑，促進或阻止混合，以控制某些加工工藝；散裂中子源還可幫助研究人員了解彈性材料的結構（例如橡皮筋）與彈性的關系；散裂中子源有助于揭示不同分子結構對材料復雜行為的貢獻，使我們深入了解如何生產出最有效的膠和涂料。

聚合物

利用散裂中子源，科學家們可以收集有關通訊光纖、用于小型化馬達和發電機的金屬玻璃（鐵-硼）磁鐵和可能用于蓄電池和燃料電池的離子導電玻璃方面更為詳細的信息。散裂中子源將用來研究受污染的土壤和其他固化在玻璃里的核廢料的長期穩定性。鈷鈦合金由于其生物學惰性，耐磨性和抗腐蝕性被用于醫學植入，強中子束流有助于研究其整體性質及表面處理情況。

影響及危害

散裂中子源是一臺大型射線裝置，產生的輻射主要是瞬發性的。只要加速器一停機，輻射場隨即消失，同時也不再引起空氣、冷卻水以及土壤的活化。散裂中子源通常安置在地下隧道內，周圍用很厚的鋼筋混凝土墻來屏蔽輻射。在屏蔽外，劑量水平遠低于天然宇宙線產生的照射，大約只相當于宇宙射線對人體產生的劑量的1/10。即使工作人員，在工作場所5年所接受的劑量也僅與進行1次X射線胸透所接受的劑量相當。此外，散裂中子源還設計了嚴格的人身安全聯鎖系統，確保人身、環境安全。對中國散裂中子源建設可能帶來的環境影響評價結果表明，中國散裂中子源運行時產生的中子、γ射線，以及少量放射性氣體的排放，對場址邊界外周圍公眾的年劑量水平大大低于國家標準GB18871規定的，對公眾的劑量限值標準1mSv/a，能夠保證公眾成員的健康與安全。另外，中國散裂中子源運行過程中產生的臭氧等氣體的濃度遠遠低于國家標準值，不會對周圍環境產生不利的影響。在經濟方面，散裂中子源在高性能芯片、電池、材料、應力檢測等領域，為中國的高技術企業和研究機構提供了重要支撐。

靶區主要的維護設備是靶和靶室，高能質子束與其產生的次級粒子都會使靶區產生很強的輻射劑量，即使在停止運行的時候由于靶區材料被活化，使得整個靶區依然具有很強的感生放射性，會對設備維護和升級等工作造成困難。因此需要將靶區剩余劑量控制在規定的范圍以內，以便于束線設備的臨時維護。

參考資料 >

什么是散裂中子源?.中國科學院高能物理研究所.2023-12-28

散裂中子源.術語在線.2024-03-01

Spallation Neutron Source.neutrons.ornl.gov.2024-03-01

是誰敲開了那扇神秘的門?.中國科學院高能物理研究所.2024-03-02

James Chadwick: The Man Behind the Neutron.stanford.edu.2024-03-01

Discovery of neutron activation analysis.Science Direct.2023-11-14

什么是中子、中子源、散裂中子源?.中國科學院.2024-03-01

國外的散裂中子源.中國科普博覽.2024-03-01

散裂中子源.中國科學院高能物理研究所.2024-03-02

【中國科學報】中國散裂中子源通過國家驗收.中國科學院高能物理研究所.2023-12-28