11月14日21世纪的中子科学赵志祥
主讲人简介
赵志祥，核物理学家，1950年8月出生，黑龙江齐齐哈尔市人。1977年毕业于复旦大学物理二系，1986年在中国原子能科学研究院获得硕士学位。1989年至1990年在美国橡树岭国家实验室参加合作研究。1994年任研究员、博士生导师，1995年获得国务院政府特殊津贴，2000年获得部级有突出贡献的中青年专家称号。主要从事中子核物理研究工作，涉及领域包括：共振参数和平均共振参数分析、核数据评价及评价方法研究、核反应截面系统学研究及数据处理和误差分析。近年来主要从事加速器驱动洁净核能系统的研究。
全文
我今天报告的题目是21世纪的中子科学，我想首先要回顾一下，20世纪中子科学所取得的成就，及其对社会经济发展所产生的深远影响，中子是物质微观世界的一个层次，原子核是由中子和质子所组成的，回顾中子发现的这段历史是非常有意思的，在1920年，卢瑟福当时就预言，原子核的内部可能会存在着一种中性的粒子，但是这个一直没有找到，那么在1930年，德国科学家波特和贝克，他的学生，在实验室里用阿尔法粒子，去轰击铍，但是发现了一种很奇怪的射线，因为当时伽玛射线和质子，都已经被发现了，但是如果说这种射线是质子的话，那么它的射程就太长了，因为质子它带电，所以射程比较短，如果说它是伽玛射线的话，那么推算出来的能量又太大了。
所以这样一个消息，传到法国之后，当时约里奥。居里，就在他的实验室，用改进的实验方法，进一步的研究这个射线的性质，结果他发现，如果认为这种射线是伽玛射线的话，那么它的能量，推算出来的能量，将达到50兆电子伏特，所以很难想象原子核会发出这么强能量的伽玛射线，同时他还观测到这种射线可以在石腊之中打出质子来，其实所有这一切证据都发明这种射线不大可能是伽玛射线，但是，这个非常遗憾的是，居里当时是没有突破旧的理论的这样一种束缚，他非常勉强地，非常牵强地，仍然把这种射线解释成伽玛射线，结果这个报告发表之后，查德威克看到这个报告之后，他马上就联想到，说这有没有可能就是1920年卢瑟福所预言的，那种所谓的中性粒子，所以他又重新设计了实验，那么1942年在《nature》杂志，就是《自然》杂志，发表了他的实验结果，并且正式把这种中性粒子定名为neutron，也就是中子，所以这段历史也是非常有意思的。
那么查德威克本人，也因为这个发现，获得了诺贝尔物理学奖，在这个中子发现之后，在不长的时间里，在1934年，费米发现了中子的核嬗变，那么在1938年哈恩和斯特拉思曼发现了中子会诱发核的裂变，这样几个里程碑式的科学发现，就奠定了中子科学的基础，也奠定了中子科学应用的基础，在中子科学应用的方面，可以包含这样几个里程碑的事件。
1942年，第一座原子核反应堆，在美国建成，投入运行，也就是所谓的费米堆，那么在1945年，第一颗原子弹，在美国实验成功，那个时候第二次世界大战还在继续进行，那么在1952年第一颗氢弹在美国实验成功，那么在1954年，第一艘核潜艇，也就是所谓的“舡渔号”在美国下水，在同一年，第一座示范的核反应堆核电站，在前苏联建成投入运行，所以我们可以看到，中子的发现，可能要算是世界上很少的这么几项基础研究成果，它能够产生这么重大的社会影响，这是比较少数的几个基础研究成果，我们也可以这样讲。
原子核科学能够从一门实验室内的，纯粹的基础研究，转化成一门具有重大实用价值的一门学科，这样几个科学发现，这样几个里程碑式的中子科学的应用，奠定了它的基础，也可以说是一个重要的转折点，那么，中子因为它本身的话呢，它是不带电的，因此它和原子核的相互作用，它可以不受到库仑位垒的影响，另外它在穿越物质的过程中，它不会引起物质的电离，因此，中子，在物质中的射程可以是非常长的，那么这一点就非常有利，我们可以选用比较厚的靶，来做中子的实验，这样的话，我们就可以增加靶核和中子相互作用的几率，所以中子，对于我们作为一个探索物质微观结构的一个探针，来研究核结构，来研究核反应的机理，是一个非常理想的这样一个工具，那么它对核物理学科的发展，应该说起了重大的作用。
我们刚才谈到中子诱发核裂变，这样一个实验事实，直接导致了我们核结构的第一个模型，叫做液滴模型，它的建立，对于我们中子辐射俘获反应这样的实验观测事实，对于核结构的基本模型也就是说所谓壳模型，它的建立和发展，起了非常关键的作用，慢中子在它引起的核反应的话，有一种奇特的所谓共振的现象，同时它在比共振能区低的能区，中子和靶核的作用几率，随着中子的速度，它是成反比的，我们叫做微分之一规律，那么这样一些实验事实，就导致了核反应复合核理论的建立。
同样，关于快中子核反应的实验观测事实，对于光学模型理论，和中间过程理论的建立和发展，都起了至关重要的作用，对于交叉学科的发展也是一样，我们知道，核物理学科和天体物理学科交叉，已经形成了一门新的学科，叫做核天体物理学，那么这门学科它主要研究的是恒星元素的形成，以及它的丰度分布，在这门学科之中，中子核反应有若干参数，是起着至关重要的作用，我们知道，重于铁的这些核素，按照有关理论的描述，它应该是中子辐射俯获过程，也就是说，一个靶核吸收一个中子，放掉一个伽玛射线，它这个质量数增加了一个，然后这样不断地吃中子，它的质量数不断增加，然后再经过beta衰变，转变成其他的核素，那就是说比铁的核数都是这样逐渐形成的，所以这样，我们研究模拟这个过程，就需要大量的中子辐射俘获反应截面数字。
另外我们知道中子具有波粒二象性，大家知道，光同时又是一种粒子，也就是说光具有（粒子性），它既是一种光，又是一种粒子，同样中子也是一样，它既是一种粒子，同时还有波的特性，你也可以把它看成是一个波，那么热中子的波长，大概是1个A到10个A，这样一个尺度，这个正好是晶格，这个晶体，晶面距离的大小，也是我们生物大分子这样一个尺度，所以，用中子研究复杂物质微观结构的一个非常理想的探针，对于材料科学和生命科学领域，中子散射技（术）是一个非常有利的工具。
当然，对这一点的认识，不是一开始就形成的，而是经过了一段时间的实践，我们知道在1994年有两位科学家获得诺贝尔物理学奖，但是非常有意思的是，他们获奖的成果，是在40年50年之前取得的，在1946年美国的绍尔用中子衍射的方法，研究磁性材料，1955加拿大的布罗克豪斯用中子散射技术，研究晶格动力学，那么当时，他们这两个（人的）工作，并没有引起大家太多的重视，太多的注意，但是在40年和50年之后，他们因为这两个开创性的工作，获得了诺贝尔物理学奖，所以这个在诺贝尔奖历史上非常罕见的这种迟到的荣誉，表明了这样一个事实，就是中子散射技术，经过了几十年的实践，它的重要性，已经逐渐地得到了国际学术界的认可，以上我们说的是中子科学对一些基础学科发展所起的作用。
同样中子科学对20世纪社会政治和经济的发展，也产生了举世公认的巨大的影响，我们知道，一个热中子，轰击一个重的原子核，它可以使得这个重的原子核分裂成两块，这个过程我们叫做核的裂变，那么裂变之后，当然有两块碎片，同时还要有一些其他的产物，但是所有这些裂变的产物它的质量加在一块，要比这个原先的中子和重原子核的质量要轻一点，那么这个质量跑到哪里去了呢，按照爱因斯坦的理论，物体的能量，等于质量乘上光速的平方，这个质量损失转化成了能量，所以每一次核裂变，大概要释放200兆电子伏特的这样一个能量，当然每一次裂变，还要放出二到三个中子，那么如果说，这个重原子核数量足够多，重元素的体积和重量足够大的话，那么裂变放出的刺激中子，还有可能引发临近的原子核进一步产生裂变，那么这个过程可以会不断地持续下去，我们把这个过程叫做链式反应，所以裂变和链式反应，就构成了我们核能利用的一个基础，所以从（20世纪）50年代，因为1954年在前苏联第一座示范核电站建成投入运行之后，人们宣布人类进入了原子能时代，那么到今天，在全世界各地正在运行的反应堆核电站总计有440所，那么正在建设的核电站大概还有107座，在全世界总的核电的装机容量达到了351.2GWe，反应堆总的运行史达到了8800堆年，那么在全球发电量里边有17％是来自于核电。
，在一些国家核电的比例，应该说是达到了一个非常高的比例，比如讲在法国，核电所占的比例达到了79％，那么在比利时，这个比例大致上是60％，在我们的近邻日本核电的比重大概占到30％左右，这个比例还是相当大的，当然，中子诱发核裂变的发现，也导致了核武器和核动力舰船的出现，对人类历史和世界政治力量格局产生了重大的深远的影响，当然这一点，千秋功（过）应该由后人来加以评说。
我们知道用中子去辐照稳定的同位素可以产生人工的放射性同位素，这些放射性同位素在自然界可能是不存在的，但是我们通过用中子来辐照稳定的同位素可以把它生产出来，广泛的应用于工业和医学，这个已经形成了一个产业，并且产生了巨大的经济效应和政治效应，据不完全的统计，现在，全世界生产的放射性同位素，80％以上是用于核医学，用于治疗和诊断，每年产生的经济效益，总产值大概是几百亿美元，那么在美国有一个数字，美国人大概有四分之一，死亡的25％，是死于癌症，那么在癌症患者中，有50％，也就是一半的癌症患者要接受放射性治疗，所以每年接受放射性诊断和治疗的病人，在全世界达到上亿人次，应该说，放射性同位素结合医学，帮助成千上万的癌症患者延长了生命，这个社会效益是极其巨大的。
当然中子科学还有其他一些非常重要的应用领域，像中子活化分析，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，广泛的服务于像国家安全，资源勘测，环境监测，农业增产等等领域，也都产生了不可估量的社会效应。
那么下边，我想向大家介绍一下20世纪中子科学研究的平台，这样一个情况，什么叫做中子科学研究的平台，所谓中子科学研究的平台，它的核心就是一个能量适当，强度适当的中子源，因为我们要进行中子科学的研究，要用中子做探针，去开展各种各样的研究，我们必须有一个适当的中子源，最早期使用的是所谓的放射性同位素中子源，这种放射性同位素中子源，它是用可以自发发射阿尔法射线的这种元素，这种材料，和某一种材料混合在一块，那么通过（阿尔法。n反应）来产生中子，就是说，靶物质，可以吸收一个阿尔法射线，放射出一个中子，那么这个反应过程我们叫做（阿尔法。n反应），那么通过这种反映来产生中子，它的优点，就是说它可以中子源非常的微小，非常小，用起来比较方便，但是，缺点也是很明显的，因为首先这种中子源它的强度做不了太高，我们叫做中子注量率，非常低，同时，这种中子源它通常都有寿命的限制，也就是说，随着时间（的推移），中子源的源强要逐渐地衰减，这样一些缺陷都影响了限制了它的使用，那么20世纪我们做中子核物理研究，主要的工具还是低能粒子加速器，这种低能粒子加速器我们可以用它产生带电粒子束，然后用它来轰击一个靶，通过核反应来产生中子，它的特点是，能量是单一的，而且，它脉冲的性能比较好，脉冲化的性能对于我们做精密的核物理实验是非常重要的，同时我们也可以用中能电子加速器，产生中能电子束，然后用它去轰击一个重元素的靶，那么在靶中通过韧致辐射，产生光子，产生伽玛射线，这个伽玛射线，再用光核反应，在靶中产生中子，这样一种中子源我们通常叫它白光中子源，因为这种中子源它的能量不是单设，它这个能量是连续的，可以提供从电子伏特到几十兆电子伏特，这样一个宽广的能区。
低能加速器中子源，缺点就是说是一个中子的注量相对来说还是比较低的，第二个就是它的中子产生效率比较低，换句话说，就是每产生一个中子，它所消耗的成本比较大，不太经济，我这里有一个例子，就是说比如用400千电子伏特的氘，用氘反应来产生中子，这是一个比较典型的中子源，那么每产生一个中子，要消耗一万兆电子伏特的能量，那么相比较我们下边就要产生散裂中子源，那么散裂中子源，如果我们用散裂反应，用质子打铀，800MeV的质子去打铀，那么每产生一个中子，只要消耗27兆电子伏特的能量，因此，低能加速器中子源，由于这两个不足，不大适合于做为工程技术使用，比如说你要用它生产同位素，或者你要用它生产核材料，这都是不大适合的。
反应堆中子源应该说是20世纪中子科学研究平台的一个主流，到现在为止也是应用的最为广泛的一种中子源，当然一般情况下反应堆中子源所能提供的中子注量率是每秒每平方厘米10的13次方，到10的14次方，而且（20世纪）90年代之后，国际上已经有了这种高通量的研究性反应堆，它的中子注量率可以达到每秒每平方厘米10的15次方，那么有一些大型的快堆，在这个数字上还要乘上一个五倍，5乘10的15次方，这应该说是一个相当高的，相当强的中子源了。
（20世纪）80年代开始，一种新型的中子源，我们叫做散裂能质子加速器来驱动的这样一个散裂中子源，开始逐渐地进入了实际应用的阶段，那么它的原理，应该说比较简单，就是有一个中能强流的质子加速器，它可以产生一个GeV左右的中能的质子，尤其是毫安量级的，所以整个的束功率，大概是兆瓦量级的，这样产生的质子，就轰击一个重元素靶，像铅，钨或者是铀，钍这些重靶，在重靶可以产生散裂反应，那么散裂反应和裂变反应不同的是，一个是它不能释放那么高的能量，第二个是把一个原子核打成几块，可能是三块，也可能是四块，打成几块，这个过程就会有中子跑出，而且，我们等一下会看到，它所产生的中子，还会在相临的靶核上继续地通过核反应产生中子，所以一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子，这个是我们散裂中子源的一个基本条件，这个图，就是我们可以看到，加速器的质子能量，和最后的中子产额的一种关系，我们看到，随着质子能量的增加，中子产额也是增加的，这个关系是成一个正比的关系，当然这里边的数值是归一到一个质子，总的中子产额应该是和加速器的流强成正比的，所以，一个中能质子加速器的流强和它的能量，这两个是最重要的指标，它决定了散裂中子源的一个基本的条件。
我们这张图，给大家看到的是就是散裂反应的一个示意图，就是一个能量为GeV的质子，去轰击一个靶核，这个靶是我们刚才说过了，它是由质子和中子所组成的，这个靶核受激发之后，可能分裂成几块，在这个过程中可以放出中子来，可以放出质子来，可以放出介子来，也可以放出中子来，那么当然这个散裂的产物，可能是放射性的，不稳定的，我们把这种不稳定的放射性的核，把它引出来，把它加速，那么，（就可以用来）开展核物理的一些前沿课题研究，当然它所产生的中子，同时也是我们这个散裂中子源的中子的来源，当然我说过了，如果这个靶足够厚的话，那么散裂反应所产生的中子，可以在相邻的靶核上，继续通过核反应产生中子，我们把这个过程叫做核外的级联，总而言之通过这个厚靶的话，一个GeV的质子打上去，最终我们得到的中子产额是20个到30个，这是一个重要的指标，当然，它也会产生介子和中微子，下面我们谈到，所有的这些产物，对于我们开展相关的基础研究和应用研究都是非常有用的，那么这种散裂中子源具有这样一些特点，第一个特点，就是它，每产生一个中子，在靶上的这种能量沉积比较小，因此，我们可以在比较小的体积内，产生比较高的中子通量，这个我想用个数字来说话，在反应堆中，因为一次裂变，能量是200兆电子伏特，每次裂变要放出两到三个中子，但并不是说这两到三个中子全部能够被加以利用，因为还有一部分中子要用来继续维持这个反应堆，链式反应，它要自持地进行链式反应，这个反应堆要继续运行，所以每次裂变至多有一个中子被拿出来进行利用，这样的话，每一个有用中子在堆内的能量沉积就是200兆电子伏特，粗略地计算，就是200兆电子伏特，如果说用散裂中子源的话，用一个GeV，我们去产生20到30个中子的话，我们这样计算下来，它的能量沉积，要比反应堆里边低4到8倍，这样的话，对于材料方面，热功方面，限制就低得多了，这就是一个原因，为什么它能够在较小的体积内产生比较高的中子通量，所以，如果为了获得每秒每平方厘米1乘10的15次方，这样一个平均中子通量的话，那么对于散裂源的话，我们只需要5兆瓦的这样一个束功率就够了，对于高通量堆，大概这个数字，大概要到几十兆瓦。
它的第二个特点，就是说散裂中子源，它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，这一点的话，也是它的一个很大的特点，特别是如果我们配上飞行时间技术，脉冲化配上飞行时间技术，我们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，非常关键，非常重要，这个性值。第三就是它所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，这样的话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。
那么（20世纪）80年代之后，陆续建成了一批散裂中子源，我们这个表上大家看到这些闪裂中子源都在运行，其中比较有代表性的是在英国ISIS，这个散裂中子源，它的束功率160千瓦，我们概括起来说，21世纪，我们通过20世纪这样一个分析，我们可以得到这样一个印象，就是展望21世纪的话，中子科学装置的主流的发展趋势，就是，一个是高通量，研究性反应堆，一个就是散裂中子源，那么这里有一个典型的指标，对于高通量反应堆来说，它的中子源的源强要达到1乘10的15次方每秒每平方厘米，那么对于散裂中子源来说它的束功率要达到兆瓦量级，比较经典的就是5兆瓦，那么这两类中子源，或者叫做中子科学装置，它的特点和优势是互相补充的。
以上我向大家回顾了一下20世纪中子科学所取得的成就，以及对社会经济发展所产生的重大影响，下面我想展望一下，21世纪中子科学及其应用的以及研究平台的一些展望，我想在21世纪中子作为研究物质微观结构的一个理想的一个探针，将会在基础研究的领域既发挥了一个重要的作用，那么散裂中子源包括我们高通量研究性反应堆，也将在材料科学，生命科学，一些工程技术应用的领域，继续发挥它的重要作用，下面我们先看一看在基础研究的领域。
应该说材料科学和生命科学是21世纪最有生命力，最活跃的两个学科，那么中子散射技术，这是开展材料科学和生命科学一个非常理想的一个探针，那么大家知道，可能知道X射线技术，和同步辐射技术，和X射线技术，以及同步辐射技术相比较，中子散射技术来研究材料科学和生命科学，具有这样一些特点，或者叫做优势。
第一中子具有同位素识别能力，因为中子和核的相互作用，它是一种核相互作用，它可以轻易地识别同位素，包括像氢碳氧，它可以轻易地把它识别出来，那么这一点，对于有机化合物和生物大分子的研究就特别地有利，特别是采用氘氢替代和反差的方法，对于生命科学研究也是非常非常重要的，在一些核先进国家里面，中子散射技术的这个特点，使科学家们提出希望建设中子科学装置开展生命科学研究的一个最重要的领域，因为它有同位素识别的功能，同时它还可以识别原子系数相邻的这些个元素，比如说铁钴镍，它可以很容易把它识别出来，这个X射线技术做起来就不大容易了，这一点对于一些合金材料和磁性材料的研究也是非常重要的。
第二，中子虽然说是不带电，但是它有磁矩，那么，我们今天不去讲它为什么会有磁矩，这个和它的，中子的更深层次结构的问题有关联，由于它有磁矩，我们就可以用中子散射的技术来研究磁性材料的磁结构，和磁相互作用，可以说现代磁学是建立在中子散射技术所取得的一些成果上，所以有人也这样讲，没有中子散射技术，就没有现代的磁学。
第三，就是中子具有较强的穿透力，这个因为我们刚才谈过，因为中子和物质相互作用没有库仑位垒的影响，同时也不会引起电离，所以它的穿透力很强，因此它所看到的不是物体的样品表面的效应，它所观测到的是，它可以观测样品的整体的效应，也可以不受高温高压各种极端条件下边，样品的可能还有一个容器，这些因素都没有关系。
第四，热中子它引起的损伤比较小，所以，中子散射技术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，前边四个特点之中，我认为最关键的是第一条跟第二条，一个是中子具有同位素识别能力，一个是中子具有磁矩，因此可以研究磁性材料，这两个特点是最重要的，最关键的。
那么中子散射技术由于这些特点，那么它在国家迫切需要解决的各类科学技术问题之中，占有比较高的覆盖面，我们曾经做过一个不完全的统计，大概在国家关心的一些亟需需要解决的科技问题之中，中子散射技术，覆盖面可以高达40％到50％。
那么下面我说一说另外一个基础研究的领域，核物理，高通量堆也好，兆瓦的散裂中子源也好，它所能提供的源强，我刚才说过了，大体上可以到每秒每平方厘米1乘10的15次方这样一个源强，那么这个源强是和任何其他的中子源所不能够达到的，不能够提供的，这样我们就可以用来研究一些极其罕见的稀有的事件，所谓稀有的事件就是它发生的几率比较低，中子源的源强强了，我们就可以开展这方面的研究。
另外的话，我们可以用非常低的样品量，来开展这方面的研究工作，这也是有实际意义的，比如说天体物理里边，用到的一些参数非常重要，但是要做这种参数的测量，同位素的样品的制备，非常不容易制备，所以样品量就不可能太高，但是如果我们采用这种大型的可以提供很高很强中子流的这种中子科学装置的话，我们就有可能只使用纳克量级的样品量来，就开展这方面的研究工作，这是一种。
另外一个，中子和核子，所谓核子的话，就是质子或者中子，因为原子核是由核子组成的，核子就是质子和中子，那么，中子和核子的相互作用，或者说中子和靶核的相互作用，都是一种强相互作用，如果说是其他的用质子去做的话，因为有个库仑位垒的关系，理论描述非常地复杂，那么如果用中子去做，那么在散射理论，这个理论描述就非常简化，所以，用中子开展少核子的这种实验，我们可以非常清晰地获取强相互作用的有关信息，所以，这方面的工作也是非常有意义的。
下边是天体核物理，那么我刚才说过了，对于比铁重的这些重元素的合成，按照有关理论的描述，它主要是来源于中子俘获，就是它吃掉一个中子，放出一个伽玛（射线），它的原子序数不变，但是它的质量数增加一位，这个过程还可以不断地进行，它还要继续吃中子，当然这还要经过beta衰变，大概从铁开始，到锕系核，这些核素的产生都是这样形成的，那么要模拟这样一个过程，我们就必须知道大量的中子俘获截面准确的知识，那么我刚才说过用其他的中子源，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，用一般的比较低的源强的中子源去做做不了，所以只能用这种像高通量堆，像散裂中子源做这方面的工作是可能的。
下边的话，我想用这样一个简短的结论，来结束我的报告，中子科学在20世纪对科学技术的发展和人类社会经济的发展，做出了举世公认的贡献，这是我想说的第一点，第二点，中子科学研究平台，一个是中子源的强度和品质，决定了中子科学研究的广度，深度和水平，那么强流加速器驱动的散裂中子源，和高通量反应堆中子源，在特点上具有很强的互补性，是21世纪中子科学装置的主流，第三点，一个先进的中子科学装置，将覆盖21世纪大量的科学前沿问题，和国家迫切需要解决的重大工程技术问题，所以从科学发展的角度，从国家实际需求的角度，建设先进的多用途的中子科学装置，是非常必要的，我的报告今天就介绍这么多，谢谢大家。
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