一、發(fā)展方向
先進(jìn)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(lái)，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(biāo)。
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(gè)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(shí)有效地帶出，才能保證反應(yīng)堆正常運(yùn)行。正是因?yàn)槎研旧釛l件的限制，反應(yīng)堆中子通量在上世紀(jì)六、七十年代就達(dá)到了飽和。目前，全球公認(rèn)通量最高的中子散射研究用堆是法國(guó) ILL （ Grenoble ），通量為 1.5×1015 / cm2 /s 。
隨著科技的進(jìn)步，相應(yīng)的研究體系如薄膜、納米團(tuán)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(jí)的樣品更為困難。因此，小樣品的快速、高分辨的中子散射測(cè)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(yùn)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(guò)原子的核內(nèi)級(jí)聯(lián)和核外級(jí)聯(lián)等復(fù)雜的核反應(yīng)，每個(gè)高能質(zhì)子可產(chǎn)生 20 ～ 40 個(gè)中子，每產(chǎn)生一個(gè)中子釋放的熱量?jī)H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(qiáng)大。
世界上正在運(yùn)行的脈沖式散裂中子源主要有美國(guó)的 IPNS 和 LANSCE 、英國(guó)的 ISIS 。已經(jīng)調(diào)束和即將調(diào)束的散裂中子源有美國(guó)的 SNS 、日本的 J-PARC 。計(jì)劃建設(shè)的有中國(guó)的 CSNS 、韓國(guó)的 PEFP 和印度的 ISNS 等。 SNS 和 J-PARC 的設(shè)計(jì)束流功率超過(guò)了 1 MW ， CSNS 、 PEFP 和 ISNS 設(shè)計(jì)功率都在百千瓦量級(jí)。
目前世界上最亮的散裂中子源 —英國(guó)盧瑟福實(shí)驗(yàn)室的散裂脈沖中子源 ISIS ——利用直線加速器將負(fù)氫離子加速到 70 MeV ，通過(guò)剝離注入到快循環(huán)同步加速器，把質(zhì)子進(jìn)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(gè)量級(jí)。
對(duì)于中子散射來(lái)說(shuō)，散裂中子源的脈沖特性使人們可方便采用飛行時(shí)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(zhǎng)的中子，因此中子的使用效率提高 1 ～ 3 個(gè)量級(jí)。
進(jìn)入 21 世紀(jì)，美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始認(rèn)識(shí)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(jí)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(qiáng)大的研究平臺(tái)。
在美國(guó)，以橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為主的六大核科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正攜手合建一臺(tái)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(dá) 1017 / cm2 /s 。其總投資也高達(dá) 14 億美元。通過(guò)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(jìn)行， 2006 年底，部分譜儀將對(duì)用戶(hù)開(kāi)放。
在日本，日本原子能研究所與高能加速器研究機(jī)構(gòu)合建的工程總投資約 18 億美元的強(qiáng)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(tái) 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(dòng)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(guó)，通過(guò)升級(jí)改造， ISIS 將束流功率從 80 kW 提高到了 150kW ，并計(jì)劃進(jìn)一步升級(jí)改造其質(zhì)子加速器 , 提高束流功率到 240 kW ，同時(shí)正在積極建設(shè)第二靶站，第二靶站將從每秒 50 個(gè)脈沖中得到 10 個(gè)脈沖，束流功率為 48 kW 。研究目標(biāo)指向與納米技術(shù)相關(guān)的納米材料、生命科學(xué)等。升級(jí)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(zhǎng)范圍進(jìn)行。一般認(rèn)為，束流功率低于 500kW 時(shí)，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(jìn)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(hù)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(jì)概念和技術(shù)相繼提出和應(yīng)用。對(duì)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(wèn)題，一般采用液體金屬靶， MW 級(jí)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(jì)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(jì)中，以求獲得更多的長(zhǎng)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(jì)上，邊緣冷卻方式提高了反射體材料密度進(jìn)而提高中子通量，不對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)可減少鈹材料的使用，降低投資。在靶站維護(hù)的設(shè)計(jì)中更加注重維護(hù)的快速、可靠和安全，增加用戶(hù)的使用時(shí)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(jìn)步而不斷地向前發(fā)展，從初期的中等波長(zhǎng)、中等能量和中等分辨率的譜儀，逐步向使用中子波長(zhǎng)更短或更長(zhǎng)、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(dāng)部分中子，特別是長(zhǎng)波中子（即冷中子），低損耗地傳送到遠(yuǎn)處，使小角中子散射和中子反射實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。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(dá)到萬(wàn)分之五。 J － PARC 設(shè)計(jì)了分辨率為萬(wàn)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(yùn)行的散裂源的譜儀升級(jí)計(jì)劃中。中子導(dǎo)管對(duì)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(kāi)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(dá) 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(lái)，它可使熱中子束在短距離內(nèi)偏離直射束，拋開(kāi)快中子、 g 射線，提高譜儀的信噪比。
大面積的位置靈敏探測(cè)器的使用，是散裂中子源譜儀發(fā)展的重要標(biāo)志。 IPNS 譜儀大多采用傳統(tǒng)的氣體正比計(jì)數(shù)器，為了獲得合適的分辨率，探測(cè)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(cè)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(jì)和建設(shè)的譜儀，均采用位置靈敏探測(cè)器， CSNS 譜儀也不例外。大面積的位置靈敏探測(cè)器的使用，也使得譜儀的數(shù)據(jù)量級(jí)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(gè)量級(jí)，每個(gè)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(zhǎng)足的發(fā)展。經(jīng)過(guò)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(hù)使用的數(shù)據(jù)量仍在逐年激增。 2000 年， ISIS 用戶(hù)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(kuò)張十多倍。
在過(guò)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(jìn)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(duì)非晶和液態(tài)物質(zhì)，有相應(yīng)的原子對(duì)分布函數(shù)處理程序。當(dāng)前，納米材料是人們研究的重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)和對(duì)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(jī)對(duì)話界面，極大地方便了用戶(hù)的使用。
中子散射譜儀和數(shù)據(jù)分析軟件的功能越來(lái)越強(qiáng)大，使用越來(lái)越方便，使得中子散射應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，用戶(hù)越來(lái)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(hù)也從最初不到 300 人發(fā)展到今天超過(guò) 1500 人。
綜上所述，散裂中子源的有效脈沖中子通量已超過(guò)反應(yīng)堆幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并正快速地向前發(fā)展，成為當(dāng)前研究用中子源的主流發(fā)展方向。發(fā)達(dá)國(guó)家正把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要舉措。
