一、發(fā)展方向

　　先進的中子源是中子科學(xué)研究的基礎(chǔ)。自 1932 年中子被發(fā)現(xiàn)以來，能產(chǎn)生高通量中子的中子源一直是科學(xué)家不斷努力追求的目標。

　　高通量的中子源包括反應(yīng)堆和散裂源。核反應(yīng)堆是一種穩(wěn)定連續(xù)的中子源，在中子科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大的作用。通常使用 235 U 作為核燃料，每次核裂變產(chǎn)生一個有效中子，而釋放 180 MeV 的熱量。堆芯中如此大量的熱量必須及時有效地帶出，才能保證反應(yīng)堆正常運行。正是因為堆芯散熱條件的限制，反應(yīng)堆中子通量在上世紀六、七十年代就達到了飽和。目前，全球公認通量最高的中子散射研究用堆是法國 ILL （ Grenoble ），通量為 1.5×10¹⁵ / cm² /s 。

　　隨著科技的進步，相應(yīng)的研究體系如薄膜、納米團簇、生物大分子和蛋白質(zhì)等，尺度分布更大，獲得數(shù)量在克量級的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測量迫切需要新一代通量更高、波段更寬的中子源，散裂中子源應(yīng)運而生。脈沖散裂中子源突破了反應(yīng)堆中子源的中子通量的上限，正快速地向前發(fā)展。

　　散裂中子源是由加速器提供的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶而產(chǎn)生中子的大科學(xué)裝置。通過原子的核內(nèi)級聯(lián)和核外級聯(lián)等復(fù)雜的核反應(yīng)，每個高能質(zhì)子可產(chǎn)生 20 ～ 40 個中子，每產(chǎn)生一個中子釋放的熱量僅為反應(yīng)堆的約四分之一（ ～ 45 MeV ）。從反應(yīng)堆中子源發(fā)展到高通量脈沖散裂中子源，使中子探針的功能變得日益強大。

　　世界上正在運行的脈沖式散裂中子源主要有美國的 IPNS 和 LANSCE 、英國的 ISIS 。已經(jīng)調(diào)束和即將調(diào)束的散裂中子源有美國的 SNS 、日本的 J-PARC 。計劃建設(shè)的有中國的 CSNS 、韓國的 PEFP 和印度的 ISNS 等。 SNS 和 J-PARC 的設(shè)計束流功率超過了 1 MW ， CSNS 、 PEFP 和 ISNS 設(shè)計功率都在百千瓦量級。

　　目前世界上最亮的散裂中子源 —英國盧瑟福實驗室的散裂脈沖中子源 ISIS ——利用直線加速器將負氫離子加速到 70 MeV ，通過剝離注入到快循環(huán)同步加速器，把質(zhì)子進一步加速到 800 MeV 后轟擊鎢靶，產(chǎn)生 通量為 8 × 10¹⁵ / cm² /s 的 脈沖 中子，其脈沖中子通量已高出通量最高的反應(yīng)堆近一個量級。

　　對于中子散射來說，散裂中子源的脈沖特性使人們可方便采用飛行時間技術(shù)去利用某一波段范圍內(nèi)的全部中子，而不象反應(yīng)堆通常只選取某一特定波長的中子，因此中子的使用效率提高 1 ～ 3 個量級。

　　進入 21 世紀，美、日、歐等發(fā)達國家開始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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要地位，相繼提出建設(shè)束流功率為兆瓦量級的散裂源。它們能產(chǎn)生比反應(yīng)堆高上百倍的有效中子通量，和第三代同步輻射光源相輔相成，又互相不可替代地為多學(xué)科的創(chuàng)新研究提供了強大的研究平臺。

　　在美國，以橡樹嶺國家實驗室為主的六大核科學(xué)國家實驗室正攜手合建一臺最終束流功率為 1.4 MW 的散裂中子源 SNS ，它提供的中子通量高達 10¹⁷ / cm² /s 。其總投資也高達 14 億美元。通過七年多的緊張建設(shè)，于 2006 年 4 月 28 日 ，產(chǎn)生出第一束中子。目前，正在逐步地提高功率，譜儀建設(shè)也正按部就班地進行， 2006 年底，部分譜儀將對用戶開放。

　　在日本，日本原子能研究所與高能加速器研究機構(gòu)合建的工程總投資約 18 億美元的強流質(zhì)子加速器研究聯(lián)合裝置 J-PARC 正在建設(shè)中。其中一臺 3 GeV 的快循環(huán)同步加速器將提供 1 MW 質(zhì)子束流用于驅(qū)動散裂中子源。 2008 年初期調(diào)束將提供 0.6 MW 的質(zhì)子束供散裂中子源使用。

　　在英國，通過升級改造， ISIS 將束流功率從 80 kW 提高到了 150kW ，并計劃進一步升級改造其質(zhì)子加速器 , 提高束流功率到 240 kW ，同時正在積極建設(shè)第二靶站，第二靶站將從每秒 50 個脈沖中得到 10 個脈沖，束流功率為 48 kW 。研究目標指向與納米技術(shù)相關(guān)的納米材料、生命科學(xué)等。升級改造工程總投資約 3 億美元。

　　散裂中子源靶站技術(shù)的發(fā)展圍繞提高中子通量和拓寬中子波長范圍進行。一般認為，束流功率低于 500kW 時，水冷片狀固體重金屬靶是散裂中子源較合適的靶系統(tǒng)方案。為進一步提高中子通量和靶的壽命，依據(jù)束流功率水平和用戶需求，扁平形狀靶體、整體靶邊緣冷卻、分離靶概念、縮減靶片間距、降低靶冷卻水量以及靶材料抗輻射損傷和腐蝕技術(shù)等許多新設(shè)計概念和技術(shù)相繼提出和應(yīng)用。對于更高的束流功率，為解決高功率下靶的冷卻和輻射損傷等問題，一般采用液體金屬靶， MW 級的 SNS 和 J-PARC 均采用水銀靶方案， PSI 發(fā)展了液體鉛鉍靶，靶密度增加可產(chǎn)生更高的中子通量，但鉛鉍靶比水銀靶的技術(shù)難度更大。在慢化器設(shè)計方面，預(yù)慢化器、復(fù)合慢化器、不同形狀的慢化器概念以及固體甲烷慢化器等已應(yīng)用于最近的靶站設(shè)計中，以求獲得更多的長波中子、更高的中子通量和最佳的中子脈沖形狀。在反射體設(shè)計上，邊緣冷卻方式提高了反射體材料密度進而提高中子通量，不對稱式設(shè)計可減少鈹材料的使用，降低投資。在靶站維護的設(shè)計中更加注重維護的快速、可靠和安全，增加用戶的使用時間。

　　中子散射譜儀也因中子源熱中子通量的提高、譜儀硬件和軟件的進步而不斷地向前發(fā)展，從初期的中等波長、中等能量和中等分辨率的譜儀，逐步向使用中子波長更短或更長、能量更高或更低、分辨率更高的方向發(fā)展。

　　早期譜儀大多就在中子源生物屏蔽體外，距中子源很近。中子導(dǎo)管改變了這一局限，它可以把相當部分中子，特別是長波中子（即冷中子），低損耗地傳送到遠處，使小角中子散射和中子反射實驗變?yōu)楝F(xiàn)實。在中子導(dǎo)管的幫助下，粉末衍射的分辨率得到提高。 ISIS 的高分辨粉末譜儀的中子飛行一百余米，分辨率達到萬分之五。 J － PARC 設(shè)計了分辨率為萬分之三的粉末衍射儀。目前，中子導(dǎo)管不僅被所有新建的散裂中子源廣泛采用，也被列入 ISIS 、 LANSCE 等已運行的散裂源的譜儀升級計劃中。中子導(dǎo)管對中子的反射能力也在不斷提高，從制造自然鎳 m=1 的導(dǎo)管開始，逐步發(fā)展為同位素鎳 m=1.2 。目前廣泛使用的為 m=2 ～ 3 的超鏡導(dǎo)管。最近，日本科學(xué)家成功制備八千余層的多層膜超鏡導(dǎo)管， m 值高達 6.7 。中子導(dǎo)管反射能力的提高，內(nèi)插超鏡反射片的超彎導(dǎo)管被制造出來，它可使熱中子束在短距離內(nèi)偏離直射束，拋開快中子、 g 射線，提高譜儀的信噪比。

　　大面積的位置靈敏探測器的使用，是散裂中子源譜儀發(fā)展的重要標志。 IPNS 譜儀大多采用傳統(tǒng)的氣體正比計數(shù)器，為了獲得合適的分辨率，探測器覆蓋面積較小，中子利用率降低。 ISIS 譜儀率先采用氣體或閃爍晶體位置靈敏探測器，不僅大幅度提高了中子使用效率，也大幅度提高了譜儀的分辨能力。 SNS 、 J-PARC 和 ISIS 第二靶站的新設(shè)計和建設(shè)的譜儀，均采用位置靈敏探測器， CSNS 譜儀也不例外。大面積的位置靈敏探測器的使用，也使得譜儀的數(shù)據(jù)量級數(shù)般地增加。散裂源譜儀的數(shù)據(jù)量至少高出反應(yīng)堆譜儀四個量級，每個脈沖就可產(chǎn)生 10 8 數(shù)據(jù)?？祀娮訉W(xué)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)得到了長足的發(fā)展。經(jīng)過各譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的累加、合并和歸一化等處理后，成為用戶使用的數(shù)據(jù)量仍在逐年激增。 2000 年， ISIS 用戶數(shù)據(jù)量為 100Gb 左右， 2003 年增至 550Gb ， 2004 年 880Gb ， 2005 年 1200Gb ，五年之內(nèi)，擴張十多倍。

　　在過去的幾十年中，不僅中子散射數(shù)據(jù)采集軟件有了快速的發(fā)展，中子散射數(shù)據(jù)分析軟件也相應(yīng)地飛速進步。許多領(lǐng)域都有與之相適應(yīng)的分析軟件。比如，粉末衍射數(shù)據(jù)處理，不僅有大家常用的各種 Rietveld 譜形擬合和精修程序，而且針對非晶和液態(tài)物質(zhì)，有相應(yīng)的原子對分布函數(shù)處理程序。當前，納米材料是人們研究的重點領(lǐng)域，相應(yīng)的分析納米材料的衍射數(shù)據(jù)的全散射實驗技術(shù)和對分布函數(shù)處理方法也逐步被科學(xué)家熟悉和應(yīng)用。這些軟件多采用友好的人機對話界面，極大地方便了用戶的使用。

　　中子散射譜儀和數(shù)據(jù)分析軟件的功能越來越強大，使用越來越方便，使得中子散射應(yīng)用范圍越來越廣，用戶越來越多。 1940 年代，中子散射僅在物理學(xué)領(lǐng)域嘗試使用。今天，它已變?yōu)樵谖锢韺W(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、地學(xué)、工程材料學(xué)甚至考古學(xué)等眾多領(lǐng)域中廣泛使用的研究工具之一。 ISIS 的用戶也從最初不到 300 人發(fā)展到今天超過 1500 人。

三、國際地位

　　CSNS 是我國第一臺散裂中子源。建造綜合性能位居世界前列的 CSNS ，設(shè)計和技術(shù)上必然存在挑戰(zhàn)，眾多關(guān)鍵技術(shù)必須進行預(yù)制研究，研究成果也將為世界散裂中子源技術(shù)的發(fā)展作出重大貢獻。 CSNS 的建設(shè)將廣泛調(diào)研國際上散裂中子源的建設(shè)和運行情況，認真總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，盡可能地采用先進成熟的技術(shù)，確保建成后的 CSNS 達到設(shè)計指標。

　　CSNS 將是發(fā)展中國家擁有的第一臺散裂中子源，其脈沖中子通量將位居世界前列 。在加速器、靶站和譜儀等各方面采用了一系列世界先進的設(shè)計和技術(shù)， 100 kW 的 CSNS 的有效中子通量將超過目前已運行的世界上最亮的散裂中子源—英國盧瑟福實驗室的散裂中子源 ISIS ，以滿足我國在多學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)對中子散射的強勁需求。

　　對中子散射而言，更高的中子通量在進一步減少實驗所要求的最小樣品量和縮短測量時間上存在優(yōu)勢。與正在建造的兆瓦級的美國散裂中子源 SNS 和日本散裂中子源 J-PARC 相比，只有極小部分課題如超薄膜、快速反應(yīng)和快速相變過程等不能在 CSNS 開展。 CSNS 設(shè)計的最小樣品量在毫克量級，最短測量時間在分鐘量級，能滿足各學(xué)科 90% 以上的中子散射研究需求。 CSNS 在發(fā)展中國家面臨競爭的是韓國的 PEFP 和印度的 ISNS ，其設(shè)計束流功率也為 100 kW ?？紤]到兩國在加速器技術(shù)和基礎(chǔ)工業(yè)上的差距，如果 CSNS 及時啟動的話，必能在韓國的 PEFP 中子源裝置和 ISNS 之前建成。圖1為世界范圍內(nèi)的散裂中子源的分布圖。表1 為 CSNS 與國際同類設(shè)施性能及參數(shù)的具體比較。