散裂中子源

当一个中等能量的质子打到重核(钨、汞等元素)之后会导致重核的不稳定而"蒸发"出20-30个中子，这样重核"裂开"并向各个方向"发散"出相当多的中子，大大提高了中子的产生效率，按这种原理工作的装置称为散裂中子源。

基本信息

• 中文名称

  散裂中子源

• 目    的

  提高了中子的产生效率

• 类    型

  机械

• 原    理

  中等能量的质子打到重核

研究发现

在中子未被发现以前，费米(Enrico Fermi，1901-1954)人们对于原子核的内部结构不完全清楚，发现中子之后，人们 才知道原子核是由中子与质子组成的。因此，中子的发现对认识原子核内部结构是一个转折点，具有重大的理论意义，也为原子能的利用开辟了道路，可以说中子敲开了人类进入原子能时代的大门。

费米(Enrico Fermi，1901-1954)因发现用中子产生新的放射性元素和开展慢中子核反应的研究工作，获得了1938年度诺贝尔物理学奖。费米用中子轰击了周期表中的所有元素，并辩认了因此而产生的具有放射性的元素。费米和他的同事观察到:把中子源和被轰击的物体放在大量石蜡中，放射性会增加很多倍。水也会产生类似的效应。费米用"慢中子"解释这一现象。他认为，由于质子和中子的质量相等，所以当快中子与静止的质子发生碰撞时，快中子损失能量变为"慢中子"，慢中子与重原子核的反应截面比快中子大得多。慢中子的发现为后来研究重核裂变的链式反应和原子核反应堆的理论设计奠定了基础。

哈恩(Otto Hahn，1879-1968)和斯特拉斯曼(Fritz Strassmann，1902-l980)1938年进行了中子撞击铀的实验，发现了中子诱发铀裂变。

奥地利女物理学家梅特纳(Lise Meitner，1878-1968)和她的侄子弗瑞士(Otto Robert Frisch，1904-1979)认为:玻尔(Niels Henrik David Bohr 1885-1962)提出的原子核的液滴模型，很好地解释了重核的裂变。玻尔设想原子核像一滴水，当外来的中子闯进这个"液滴"时，"液滴"会发生剧烈的震荡。它开始变成椭圆形，然后变成哑铃形，最后分裂为两半。不过，这个过程的速度快得惊人。

美国生物学家阿诺德对此也很感兴趣。他说，如果原子核就像一滴液滴，被中子击中以后分裂成为两个原子核，这种情形很像显微镜下看到的细胞繁殖时的分裂现象。

梅特纳和弗瑞士很受启发，他们正在寻找一个合适的名词，来表示原子核被打破而分裂的现象，决定采用用细胞分裂的"分裂"(在英文中，原子核的"裂变"和细胞"分裂"，两个名词都叫fission。)这个名词，来表示原子分裂，把它称做"核裂变"，或"原子分裂"。

梅特纳用数学方法分析了实验结果。她推想钡和其它元素就是由铀原子核的分裂而产生的。但当她把这类元素的原子量相加起来时，发现其和并不等于铀的原子量，而是小于铀的原子量。说明在核反应过程中，发生了质量亏损。梅特纳认为，这个质量亏损的数值正相当于反应所放出的能。她根据爱因斯坦的质能关系式算出了每个铀原子核裂变时会放出的能量。

弗瑞士用实验证实这种设想，他也用中子轰击铀，当中子击中铀核时，能观察到那异常巨大的能量几乎把测量仪表的指针逼到刻度盘以外。弗瑞士与梅特纳于1939年2月在《自然》杂志上发表了他们的报告。

铀核分裂产生的这个能量，比相同质量的化学反应放出的能量大几百万倍以上。这种新形式的能量就是原子核裂变能，也称核能，或原子能。但当时，只注意到释放出惊人的能量，忽略了释放中子的问题。稍后，哈恩、约里奥·居里及哈尔班等人又有了更重要的发现:在铀核裂变释放出巨大能量的同时，还放出两、三个中子来。

这发现十分惊人，如果说原子核数量足够多，重元素的体积和重量足够大的话，那么裂变放出的次级中子，还有可能引发临近的原子核进一步产生裂变，这个过程可以会不断地持续下去，这个过程称为链式反应。这意味着:极其微小的中子，将有能力释放沉睡在大自然界中几十亿年的物质巨人。这一发现，终于打破了卢瑟福等人认为开发利用原子能量的设想不可能的结论，裂变和链式反应，构成了核能利用的基础。

 历史沿革

1932年查德威克(James Chadwick，1891-1974)发现中子。奥地利女物理学家梅特纳和她的侄子弗瑞士他精心设

计实验，用α粒子轰击铍，再用铍产生的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核和氮核。由于γ射线不具备将从原子中打出质子所需要的动量，他断定这种射线不可能是γ射线。他用仪器测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出了这种新粒子的质量。他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子，才能解释。因这种粒子不带电，所以称为中子。查德威克因此获得1935年诺贝尔物理学奖。1944年，哈恩因为发现了"重核裂变反应"，荣获诺贝尔化学奖，但梅特纳和斯特拉斯曼却没能获此殊荣。

1942年，费米领导了世界上第一座原子核反应堆的建设和试验工作，并研究使链式反应变为连续、缓慢、可控的核反应，使核能平缓地释放出来。12月2日，在美国芝加哥体育场的看台下，世界上第一座用石墨作减速剂的原子核反应堆竣工落成。原子核反应堆能可控地放出大量的能量，人类从此进入了核能时代。

1945年7月16日，由美国研制的世界上第一颗原子弹爆炸成功。8月6日，美国就在日本广岛投下了第一枚军用原子弹，一座繁荣的城市在一刹那间被全部毁灭，成了烟雾弥漫的废墟。三天以后，即8月9日，美国在日本的另一个城市长崎投下了第二颗原子弹。

1946年沙尔(Clifford Glenwood Shull, 1915-)用中子衍射研究磁性材料。沙尔用中子衍射技术显示氢原子在晶体中的位置，可以更全面地了解许多无机和有机物质的晶体结构。沙尔研究了中子磁矩与顺磁物质中原子磁矩发生的散射，推动了磁结晶学的发展。他还研究了极化慢中子辐射的应用，发明了中子干涉系统，为研究中子与物质之间相互作用而产生的各种基本效应提供了极其灵敏的工具。

1952年11月1日，美国在太平洋比基尼岛核试验基地爆炸成功了世界上的第一颗氢弹，它为1040万吨梯恩梯当量，相当于投向日本广岛那颗原子弹威力的800倍。当这颗氢弹在几百米高的钢架上起爆之后，整个小岛连同钢架都在巨大的爆炸场中沉入太平洋深处，再一次震惊了全世界。

1954年1月21日，人类第一艘核动力潜艇--美国海军的"鹦鹉螺"号下水，当年底全部竣工，1955年1月17日进行了首次试航(艇长90米，排水量2800吨，当时的造价为5500万美元，最大航速25节，最大潜深150米)。从理论上讲，它可以以最大航速在水下连续航行50天、航程3万海里而无需添加任何燃料。艇上还装备了自导鱼雷。从下水到1957年4月更换第一个反应堆活性区为止，"鹦鹉螺"号总航程达62526海里，仅消耗了几公斤铀。而常规潜艇要是以同样速度航行同样距离，将会消耗大约8000吨燃油。

1954年6月，世界上最早的商用核电站位于苏联奥布宁斯克(Obninsk)的物理和电气工程院，开始发电，功率5000KW。核电站利用原子核内部蕴藏的能量大规模生产电力，核电站使用的核燃料含有易裂变的物质铀-235。一座100万千瓦的核电站每年只需要补充30吨左右的核燃料，而同样规模的火电厂每年要烧煤300万吨。

1955年布罗克豪斯(Bertram Niville Brockhouse，1918-)用中子散射研究晶格动力学。他致力于中子非弹性散射技术的研究，在原有的单轴和二轴中子谱仪的基础上设计了三轴谱仪，得到了广泛的应用，已经成为研究凝聚态物理的基本工具，几乎大多数人事凝聚态物理研究的中子束反应堆实验室都拥有这一设备。

直到1994年，沙尔和布罗克豪斯才因此获得诺贝尔物理学奖。迟到的荣誉表明:经过几十年的实践，中子散射的重要性已经得到国际学术界的公认。

 技术特点

用中子散射技术来进行材料科学和生命科学研究，与X射线技术以及同步辐射技术相比具有以下特点和优势:

1、中子具有同位素识别能力。中子与核的相互作用可以轻易地识别同位素，包括像氢、碳、氧，还可以识别原子系数相邻的元素，如铁、钴、镍，对有机化合物和生物大分子的研究，对有 红色部分与白色部分分别为X射线机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别有利。因此，中子科学装置成为开展生命科学研究重要的平台。

2、中子不带电，但有磁矩，它和晶格的磁散射是直接探测物质磁性结构和磁动力学的唯一物理工具，可以用来研究磁性材料的磁结构和磁相互作用，现代磁学就建立在中子散射技术所取得的一些成果上，可以说没有中子散射技术，就没有现代的磁学。

3、中子的波长和晶格参数相近，中子的能量和晶格的元激发可比，因此中子可用于研究固体的结构和动力学特怔。中子非弹性散射是研究动力学特怔的理想的物理工具。长波中子小角散射是研究纳米、生物、聚合物大分子的特殊实验工具。

4、中子具有较强的穿透力。因为中子和物质的相互作用没有库仑位垒的影响，同时也不会引起电离，因此它穿透力强，可以观测样品的整体效应，可在高温高压等极端条件下不受容器和装置的影响观察物质结构。

5、热中子引起的损伤较小，是一种高度无损的技术。对生物体的损伤，热中子比X射线要小一百倍，特别适用实时地研究生物活体(如蛋白质，病毒的生命活动)。

左图为用X射线观察到的含水大分子的结构，右图为中子散射观察到的含水大分子的结构

散裂中子源与反应堆中子源相比有以下优点:

1、它和脉冲时间飞行技术结合后，能使用脉冲散裂中子源产生的中子脉冲

X射线观察到的含水大分子的结构里的全部中子，并有极高的能量分辨率。从而使谱仪的样品处的中子通量和核反应堆相比提高了100倍以上。比如英国ISIS脉冲中子源的粉末衍射仪GEM，只需1毫克的样品就能测出衍射谱。美国在建的MW级SNS脉冲散裂中子源的工程材料衍射仪，只用1/10秒就能测出衍射谱。比核反应堆的相应衍射仪快几百倍。

2、脉冲技术给出高分辨率和低本底。脉冲中子源的谱仪具有最高的能量分辨率(d/dd=0.04% 和0.1mev)。脉冲当中含不同波长的超热、热和冷中子，因此谱仪的频宽大，和核反应堆的谱仪比较，能将能量转移范围扩大5-10倍。 3、脉冲中子源不用核燃料，不产生核废物，不污染环境。停电就不再产生质子、中子，绝对安全。

4、建造费和运行费较低。散裂脉冲中子源的配套工程较少(不需要核反应堆必备的庞大的冷却水系统，核废料的贮存转运空间，和复杂的多层次核反应安全保护系统)。特别要提到的是慢化中子用的慢化器的制冷功率仅二、三百瓦，比核反应堆用的小十倍，制冷系统的投资和运行费用也大致小十倍，大大降低散热和致冷的投资。

 应用领域

中子的发现及其应用是二十世纪最重要的科技成就之一。散裂中子源中子诱发核裂变的发现导致了核武器和核能源的开发。中子是研究物质结构和动力学性质的理想探针，中子散射技术已在很多基础学科中如凝聚态物理(固体和液体)，化学(特别是高分子化学)，生物工程，生命科学，材料科学(特别是纳米材料科学)等多学科领域的研究中被广泛采用。中子生产的人工放射性同位素、中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照加工等等，已被广泛应用于医疗和工业，并产生了巨大的经济效益。

最早期使用的中子源是放射性同位素中子源，散裂中子源将可以自发发射α射线的元素与靶物质混合在一块，靶物质吸收一个α射线粒子即可放射出一个中子，通过这种反应产生中子，其优点是中子源非常微小，用起来比较方便，但缺点也很明显，因为这种中子源的强度达不到太高，即中子注量率非常低，同时，这种中子源通常受到寿命的限制，随着时间的推移其源强逐渐衰减，这些缺陷影响和限制了它的使用。

20世纪用于中子核物理研究的主要工具是用低能粒子加速器产生的带电粒子束轰击靶，通过核反应来产生中子，它的特点是，能量单一、脉冲性能比较好，这对于精密的核物理实验非常重要。缺点是中子的注量相对较低，中子产生效率较低，不太经济。例如用400千电子伏特的氘反应来产生中子，每产生一个中子，要消耗一万兆电子伏特的能量。因此，低能加速器中子源不适合于生产同位素、生产核材料。

反应堆中子源应用最为广泛。一般情况下反应堆中子源所能提供的中子注量率为1013-14/cm2.s，20世纪90年代之后，国际上已经有了高通量研究性反应堆，中子注量率可以达到1015/cm2.s，一些大型的快堆，可达5×1015/cm2.s，接近反应堆中子源受材料与热工限制的极限，已是相当强的中子源。但由于反应堆散热技术的限制，反应堆提供的中子通量很难超过当前美国的HF高通量堆达到的最高指标 3 ×10 15 n/cm2.s。

散裂中子源的出现突破了反应堆中子源中子通量的极限。当快速粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被"剥离"，或被轰击出来，在核反应中被称为散裂。散裂反应和裂变反应的不同点是:它不释放那么高的能量，但它可以将一个原子核打成几块，可能是三块，也可能是四块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等产物，对开展核物理前沿课题研究和应用研究非常有用，且所产生的中子还会在相临的靶核上继续通过核反应产生中子--即核外级联。一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。

20世纪80年代起，质子加速器驱动的散裂中子源，逐渐地进入实际应用阶段。其原理比较简单，用中能强流质子加速器，产生1GeV左右的中能质子(束功率为兆瓦量级)轰击重元素靶(如铅、钨或者铀、钍重靶)，在靶中产生散裂反应，具有高有效中子通量、无放射性核废料等特征。

散裂中子源的特点是在比较小的体积内可产生比较高的中子通量，每个中子能量沉积比反应堆低4-8倍 单位体积的中子强度比裂变堆高4-8倍 可用较低功率产生与高通量堆相当或更高的平均中子通量。要达到1×1015/cm2.s 的平均中子通量，散裂源需5兆瓦束功率，而高通量堆则需60兆瓦热功率。散裂中子源的脉冲特性是由加速器所决定的，因此它的脉冲化对于中子通量并不造成损失，如果配上飞行时间技术，可以具有很高的时间分辨性能，对于开展材料和生命科学中，包括一些中子核物理，一些动态特性的研究极为关键。散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从电子伏特，到几百兆电子伏特宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深了中子科学研究的领域。发达国家正把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要措施。

展望21世纪中子科学装置的主流发展趋势，一是高通量研究性反应堆，另一是散裂中子源，高通量反应堆的源强要达到 1×1015/cm2.s，散裂中子源束功率要达到兆瓦量级。这两类中子源的特点和优势互相补充，成为材料、生物、生命、核物理等学科研究不可缺少的工具，为相关尖端技术如纳米、信息、环境、医药等的发展提供创新的平台。兆瓦级的多用途脉冲散裂中子源是当前世界上中子源发展趋势，它为21世纪前沿科学发展作出的贡献不可估量。它不但是为物理、化学、生物、材料等基础研究课题服务的中子散射的大科学平台，也可以成为为核物理、天体物理、核医学、核化学、能源工业和国防建设服务的大科学平台。

21世纪，中子作为研究物质微观结构的一个理想探针将在基础研究领域发挥重要的作用。散裂中子源与高通量研究性反应堆，也将在21世纪最有生命力、最活跃的学科，如材料科学、生命科学和一些工程技术应用领域，继续发挥它的重要作用。 美国Los Alamos 国家实验室在人们解出基因结构后，蛋白质与生物大分子联合体的结构与功能便成为生命科学的主要挑战之一。中子是确定蛋白结构中氢原子位置的最有力的方法，为理解蛋白功能及药物设计提供不可缺少的信息。

工程材料、金属疲劳、氢化、腐蚀、形变每年造成上万亿元的损失和无数严重事故。高通量中子能穿透一切金属体，为理解材料的这种变化的机理，以找出合格的新工程材料及新工艺有了可能。美国一飞机制造公司花上百万美元将发动机装上脉冲中子源的谱仪，在发动机运转时实时测定机件材料的疲劳过程和改进。

比铁重的重元素的合成，主要来源于中子俘获，即它吃掉一个中子放出一个光子，原子序数不变，但质量数增加一位。这个过程可以不断地进行，它还要继续吃中子，当然还要经过beta衰变。从铁开始，到锕系核，这些核素的产生都是这样形成的。要模拟这样一个过程，必须知道大量的中子俘获截面准确数据，用其他的中子源开展这方面的测量很困难，或者说不可能。因为有一些截面很小，作用几率很低。有一些核素它的同位素样品，制备起来很困难，所以样品量很小，用一般低强度的中子源无法进行实验，只能用高通量堆或散裂中子源来做实验。

中子和核子的相互作用，或者说中子和靶核的相互作用都是强相互作用。如果用质子打靶去做研究，因为有库仑位垒的关系，理论描述非常复杂，而用中子打靶去做研究，描述就非常简化。所以用中子开展这类实验，可以非常清晰地获取强相互作用的有关信息，非常有意义。

核物理学科和天体物理学科的交叉研究形成了新的学科--核天体物理学，该学科主要研究恒星元素的形成以及它的丰度分布，中子核反应有若干参数在其中起着至关重要的作用。高通量堆及兆瓦的散裂中子源能提供的源强，可以用来研究一些极其罕见的稀有的事件。以非常低的样品量来开展这方面的研究工作，有很大的实际意义，如天体物理研究用到的一些参数非常重要，要做这种参数的测量，同位素的样品的制备极为不易，样品量不可能高，如果采用强流中子科学装置，就有可能只使用纳克量级的样品量就能完成研究工作。

氚是重要的军用核材料，一台功率为5 MW的质子加速器驱动的散裂中子源可以有年产60克氚的能力。一个50~100kW束功率的加速器有年生产2公斤钚的能力。航天器件的空间辐照效应已经成为影响卫星寿命的主要因素之一，用加速器进行空间辐照效应的模拟是唯一的地面实验方法，一个中能的质子加速器可以在这方面发挥重要的作用。

美国Los Alamos 国家实验室正在运行的中等水平的散裂中子源(LANSCE)上有一个以武器中子研究(WNR)命名的实验终端。它在禁试情况下为保持核威慑力量而进行的相关研究中扮演着重要的角色。

兆瓦级级中能强流质子加速器还可作为开展洁净核能源(ADS)相关的物理及技术研究的一个台阶，强流中子束有可能将核反应堆产生的长寿命放射性同位素转变为短寿命和稳定同位素，变核废料为核原料，开发新核能源。

在其他重要应用领域，如中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照育种、中子探伤、中子照相、中子测井等等，广泛地服务于像国家安全、资源勘测、环境监测、农业增产等等领域都产生了不可估量的社会效应。

 已建项目

1、20世纪70年代初，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室(LANL)的LAMPF强流质子直线加速 英国卢瑟福实验室建成ISIS环形加速器器，是世界第一台散裂中子源 。

2、1977年，美国LANL又在LAMPF后面建立了一个储存环，将LAMPF输出的质子束转化为中子束以产生脉冲中子源。

3、20世纪80年代，美国ANL的IPNS和日本KEK的KENS。

4、1985年，英国卢瑟福实验室建成ISIS环形加速器，能量为800MeV，平均流强为230 µA，是迄今为止世界上最强的脉冲散裂中子源。

5、2014年10月15日上午，经过三年的施工，中国散裂中子源项目的第一台设备--负氢离子源在东莞"下隧道"安装，标志着该项目正式进入项目设备安装阶段，为2016年试运行打下坚实基础。