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11月14日 21世纪的中子科学 赵志祥-第2部分
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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�
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