2018年8月23日，“國之重器”中國散裂中子源正式通過國家驗收！
繼英國、美國、日本之後，我國成為世界上第四個擁有散裂中子源的國家！
歷經6年半的緊張建設，中國散裂中子源作為我國首臺散裂中子源，按指標、按工期、高質量地完成了工程建設任務，其綜合性能進入國際同類裝置先進行列。中國散裂中子源填補了國內脈衝中子應用領域的空白，將為諸多領域的基礎研究和高新技術開發提供強有力的研究平臺。
中國散裂中子源-靶站譜儀篇
中子源是能夠產生中子的裝置，它是進行中子核反應、中子衍射等中子物理實驗的必要設備。要用中子研究物質的結構，必須有一個適當的中子源。最早使用的是放射性同位素中子源，但強度較低，壽命有限。20世紀用於中子核物理研究的主要中子源，是用低能粒子加速器產生的帶電粒子束轟擊靶而產生的中子，其能量單一、脈衝性好，但中子產生效率較低。反應堆中子源中子通量高，應用最為廣泛，但由於反應堆散熱技術的限制，使其最大中子通量受到限制。
散裂中子源的出現則突破了反應堆中子源中子通量的極限。它的基本原理是用高能強流質子加速器產生能量在1GeV以上的質子束轟擊重元素靶（如鎢或鈾），在靶中發生散裂反應，產生大量的中子（圖1）。其特點是在較小的體積內可產生較高的脈衝中子通量，能提供的中子能譜更加寬廣。此外，散裂中子源還具有高脈衝通量和優越的脈衝時間結構，低本底，且不使用核燃料，只產生極少量活化產物等諸多獨特優點。
圖1 原子核散裂產生中子過程示意圖（圖片轉載自網站）
用於中子散射的中子，波長從幾埃到幾十埃、能量在毫電子伏特到電子伏特之間，分別與物質中原子分子之間的距離和相互作用能量相當。由於中子不帶電、具有磁矩、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素以及非破壞性等特性，中子散射成為研究物質結構和動力學性質的理想探針之一，在磁性凝聚態物理、納米材料、高強度高性能塑料、蛋白質和生物、高溫超導機理、同位素辨識、工業無損深度探傷、汙染及廢料處理等領域得到了廣泛應用（圖2）。
圖2 中子散射技術的應用（圖片轉載自網站）
近年來，隨著強流加速器技術的發展，百千瓦到兆瓦級束流功率的散裂中子源成為國際公認的新一代高通量、寬波段、高效安全的中子源。進入21世紀，美、日、歐等發達國家認識到能提供更高中子通量和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，把建設高性能散裂中子源作為提高科技創新能力的重要舉措，相繼斥巨資建設新一代的散裂中子源。為提高我國的科技創新能力，中國散裂中子源（CSNS，圖3）於2011年在廣東省東莞市開工建設，其第一期設計束流功率為100Kw，脈衝重複頻率為25Hz，它主要由一臺80MeV負氫直線加速器、一臺1.6GeV快循環質子同步加速器及其前後兩條束流傳輸線、一個靶站和三臺中子譜儀及相應的配套設施組成。物理所王芳衛研究員領導的靶站譜儀工程中心研究團隊是CSNS靶站和譜儀建設的骨幹力量。
圖3 中國散裂中子源航拍圖（圖片轉載自CSNS網站）
靶站作為散裂中子源的核心組成部分，其主要功能是把加速器裡的高能質子轉化為低能中子。靶站吸收質子並通過散裂過程釋放出高速中子，這個過程會產生高溫，以及攜帶輻射的同位素副產品。因此，在靶站的整個設計過程中，即要考慮到中子的產生效率，也要考慮到打靶過程所帶來的散熱以及輻射安全問題。為充分利用打靶產生的中子，中國散裂中子源靶站共計設計預留了20條中子孔道，分別適用於不同功能類型的譜儀建設要求。
圖4 中國散裂中子源靶站實體圖片（圖片轉載自CSNS網站）
中子散射譜儀作為中子源的最後一個環節，也是開展中子散射實驗的最終平臺，其建設性能的優劣直接決定著整個中子源科研成果的產出。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。彈性散射譜儀所探測的散射中子僅在空間分佈上產生了變化，而能量仍與入射中子一致，主要研究物質中原子、分子等的位置，也即結構信息。非彈性散射譜儀不僅探測散射中子在空間分佈上的變化，而且還同時探測散射中子的能量變化，主要研究物質中原子、分子等是如何運動的，即動力學過程。考慮到國內用戶需求和國際相關領域的發展，並結合經費批覆情況，中國散裂中子源一期建設了通用粉末衍射譜儀、多功能反射譜儀和小角散射譜儀。其中通用粉末衍射譜儀（GPPD）和反射譜儀（MR）分別由物理所何倫華研究員和朱濤研究員負責建設，兩臺譜儀均按期達到或超過國家驗收指標，一經建成便迅速獲得了重要科研成果。
CSNS通用粉末衍射譜儀（圖5）主要由慢化器、準直器、斬波器、中子導管、樣品散射腔以及分佈在三個角度上的中子探測器組成。
圖5 CSNS通用粉末衍射譜儀外觀實景圖
小角度探測器適於測定較大分子的結構，背反射探測器適於分辨率較高的研究，散射角度2θ=90°處的探測器可有效地避免樣品容器的散射，適於特殊樣品環境下的結構研究。GPPD使用的中子波長範圍為0.03-0.48 nm，樣品到慢化器的距離為30米，GPPD的最佳分辨率可達0.2%，並且其中子通量具備研究小樣品的結構、相變和實時化學反應的能力。此外，GPPD提供低溫、高溫和高壓等特殊樣品環境，可滿足不同條件下的樣品測試要求。
CSNS通用粉末衍射譜儀主要用於研究物質的晶體結構和磁結構，以滿足來自化學、材料科學、納米科學、凝聚態物理等眾多領域的科學研究和工業應用需求。在實驗技術上，其利用脈衝中子源具有不同波長中子的特性建立了飛行時間衍射法。具體說來，就是通過測算中子到達不同角度探測器的時間，來確定所發生衍射中子的波長，從而通過布拉格衍射定律，來得到物質材料的結構信息。飛行時間衍射法，可以在幾秒甚至更短的時間內收集一條完整的衍射譜，大大提高了探測物質結構信息的時間分辨率。在具體應用方面，與X射線粉末衍射儀類似，CSNS通用粉末衍射譜儀可用於多組分混合體系的無損分析，組份確定，結晶性、晶格常數、膨脹張量、體模量、磁相變等的確定。不同於X射線衍射儀，利用中子自身的眾多特性，GPPD在晶體結構測定方面有其獨特的優勢，例如可用於輕元素的定位與近鄰元素的區分（各種無機碳氫、鋰離子電池電極、氧化物、超導體等材料結構中輕元素的位置，3d過渡族合金Fe-Co、Ni-Mn、Ni-Cr等含近鄰元素合金樣品的有序度研究），以及磁結構的測量。
與中子衍射類似，中子反射也是十分重要的散射技術之一。中子反射實驗的主要目的是測量作為垂直於反射表面的散射矢量函數的鏡反射率，確定垂直於材料表面的一維散射勢，得到中子散射長度密度與深度的關係信息，從而獲取物質表面與界面的微觀結構信息。中子反射譜儀作為開展中子反射實驗的重要平臺，從實驗模式上可分為兩類，即常波長模式和飛行時間模式。CSNS中子反射譜儀（圖6）採用後者實驗模式，其在實驗過程當中保持中子束的掠入射角θ不變, 利用脈衝“白光”中子束中不同波長的中子在相同距離的情況下到達探測器的時間不同, 測量反射中子的飛行時間譜, 獲得反射率隨波長的變化。
圖6 CSNS中子反射譜儀
該飛行時間模式的特點是在實驗過程中測量幾何保持不變(例如樣品方位、探測器位置等), 適宜於液體樣品界面的測量, 並且由於樣品表面上的中子束斑大小和照度不變, 對於非均勻樣品的測量是有利的。此外，該模式能夠同時測量全譜範圍的反射率, 在同一時間獲得整個反射率曲線。CSNS中子反射譜儀主要包括慢化器、準直系統、斬波器、樣品臺、樣品環境設備、探測器、數據採集和處理系統等。其測量的Q範圍為0.5-5 nm-1，分辨率小於10%，樣品到慢化器的距離為21米，到探測器的距離為2米。入射中子束通過三維聚焦的彎曲超鏡導管引導到樣品表面。使用二維探測器既能探測鏡面反射，又能探測非鏡面散射。鏡面反射包含了垂直於膜面方向上的結構信息。非鏡面散射則起源於膜面內的結構漲落，如磁疇以及粗糙的層間界面等。CSNS中子反射譜儀的主要應用領域包括低維結構和表面及界面磁性、固液界面、聚合物及LB膜、生物膜結構、界面現象等。中子反射技術作為一種薄膜材料和界面科學研究的先進獨特手段, 在某些方面具有其他手段無法替代的獨特優勢。
CSNS靶站及一期譜儀系統的順利建成，不僅為用戶提供了開展中子散射實驗的重要平臺，同時也為後續其它譜儀建設以及靶站的升級改造積累了大量經驗。在整個靶站以及譜儀系統的建設過程中，以物理所靶站譜儀中心為核心的科研團隊，歷經萬難，不斷創新，集成開發了一系列具有我國自主知識產權的新技術。作為中子散射領域的一顆新星，CSNS將會極大提高我國科技創新能力與國際競爭力。物理所靶站譜儀中心的科研團隊，將會一如既往地努力，為國之重器CSNS的後續建設貢獻力量。
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