洞悉微觀物質(zhì)的頂級(jí)探針

若飴

分裂的癌細(xì)胞被針對(duì)性地消滅，卻不損傷正常細(xì)胞？埃博拉、非典、新冠等傳染性極強(qiáng)病毒將被短期治愈？或許這一天終將到來(lái)，而令其到來(lái)的變量就是“散裂中子源”。

在科學(xué)技術(shù)催生社會(huì)變革的當(dāng)下，2021年1月26日，是一個(gè)值得國(guó)人銘記的日子。這一天，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞分部研發(fā)的“中國(guó)散裂中子源多物理譜儀”成功出束，標(biāo)志著中國(guó)成為繼美、英、日之后世界上第四個(gè)擁有散裂中子源的國(guó)家。多數(shù)民眾不了解散裂中子源為何物，對(duì)其科研突破的重大意義更一知半解。下面就從散裂中子源的研發(fā)原理談起。

單從字面理解，散裂中子源，可分拆為兩個(gè)維度來(lái)理解：一是散裂反應(yīng)，二是挖掘中子源。所謂“散裂反應(yīng)”，是一種化學(xué)反應(yīng)，通俗而言是高能粒子與原子核的作用過(guò)程。我們知道，所有物質(zhì)均由原子組成。一個(gè)原子有一個(gè)由質(zhì)子和中子組成并且被零或者多個(gè)電子環(huán)繞的核心。其中，原子核位于原子的核心部分，由質(zhì)子和中子兩種微粒構(gòu)成。散裂反應(yīng)就是通過(guò)外加的高能粒子沖擊原子核產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。

此種化學(xué)反應(yīng)的目的之一便是將中子從原子核中釋放出來(lái)，要么與其他質(zhì)子形成新原子核，要么被提煉出來(lái)作為測(cè)試用具。比如，較早啟動(dòng)散裂中子科研的德國(guó)。1998年的德國(guó)高鐵事故之后，科學(xué)家利用中子散射裝置，將整個(gè)車輪放置在探測(cè)器中間，依托分析中子布局，最終發(fā)現(xiàn)車輪老化系造成事故的原因。又比如，已經(jīng)具備散裂中子源應(yīng)用能力的英國(guó)——科學(xué)家把整個(gè)飛機(jī)機(jī)翼吊裝到散裂中子源儀器的測(cè)量部位，直接觀察在什么加工工藝下，機(jī)翼的各個(gè)部分結(jié)構(gòu)能得到最優(yōu)化的性能。

一般而言，產(chǎn)生中子有兩種方式：一種是威力巨大的“核反應(yīng)堆”。利用鈾235通過(guò)核裂變反應(yīng)產(chǎn)生中子，但該方式的安全風(fēng)險(xiǎn)極大。因此，第二種產(chǎn)生中子的裝置“散裂中子源”應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)然，目前的散裂中子源還停留在解構(gòu)微觀世界的層面，并未抵達(dá)形成新原子核的階段?？v觀全球的科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，在尚未產(chǎn)生科學(xué)之前，人類是用肉眼去觀察和理解宏觀世界的。在人類觀察微觀世界的過(guò)程中，歷經(jīng)了“光學(xué)顯微鏡”“電子顯微鏡”，如今迎來(lái)了依托散裂中子源形成的脈沖式顯微鏡。

實(shí)然，脈沖式顯微鏡依托的散裂中子源有四個(gè)核心步驟。一是高能質(zhì)子轟擊重金屬靶;二是金屬原子產(chǎn)生散裂反應(yīng);三是散裂反應(yīng)釋放出中子;四是收集釋放出的中子，用于探測(cè)被檢物體的微觀結(jié)構(gòu)。這也解構(gòu)了散裂中子源看穿微觀世界的基本原理。散裂中子源的優(yōu)點(diǎn)在于加速質(zhì)子使用的是高壓電場(chǎng)。只要切斷電源，質(zhì)子就會(huì)立即停止轟擊金屬靶，不會(huì)有任何放射性污染且可控。因此，散裂中子源堪稱最安全的產(chǎn)生中子的方式。

如果說(shuō)人工智能深入社會(huì)生活的方方面面是顯性的，距離我們?cè)絹?lái)越近，那么散裂中子源應(yīng)用于我們的社會(huì)生活則是隱性的，其廣度和深度絕不亞于人工智能，甚至影響的深遠(yuǎn)性將遠(yuǎn)超AI技術(shù)。正如中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家童欣教授所言，“散裂中子源好比一臺(tái)超級(jí)顯微鏡，能在不對(duì)物質(zhì)造成破壞的前提下看穿材料的微觀結(jié)構(gòu)”。

日本早在20世紀(jì)初就開(kāi)始研究硼中子對(duì)抗分裂癌細(xì)胞的方法。2020年3月，世界上第一臺(tái)加速器BNCT設(shè)備和硼藥物正式獲得了日本厚生勞動(dòng)省的批準(zhǔn)，并應(yīng)用于患者。這是硼中子俘獲療法在世界上首次正式進(jìn)入臨床應(yīng)用。在對(duì)抗癌癥的散裂中子源研究方面，日本無(wú)疑走在了世界的前列。至今，全世界基于反應(yīng)堆的硼中子俘獲治療臨床試驗(yàn)已經(jīng)有1400多例。

值得欣喜的是，中國(guó)亦不甘人后。2020年8月，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所東莞分部成功研制了加速器硼中子俘獲治療實(shí)驗(yàn)裝置，為腫瘤治療帶來(lái)了技術(shù)性革新的曙光。其原理是通過(guò)直線加速器，快速產(chǎn)生強(qiáng)流質(zhì)子束，進(jìn)而集中打靶，短時(shí)間產(chǎn)生中子，再經(jīng)過(guò)慢化為超級(jí)中子“硼-10同位素”，達(dá)到治療需要的中子能量，形成中子束照射病灶，達(dá)到殺滅癌細(xì)胞的功效。形象地說(shuō)，就是癌細(xì)胞會(huì)吸收硼-10同位素，那么中子束就會(huì)集中攻擊吸收了硼-10同位素的癌細(xì)胞，起到精準(zhǔn)打擊的高效作用，只“殺死”癌細(xì)胞不損傷周圍細(xì)胞。

這一切要?dú)w功于我國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到散裂中子源在未來(lái)科技應(yīng)用領(lǐng)域的重要性和非凡價(jià)值。早在2007年，中央就決定將散裂中子源科研工程落戶廣東省東莞市松山湖。2011年，硬件設(shè)施基本竣工，并對(duì)外開(kāi)放，設(shè)置了中國(guó)散裂中子源工程的官網(wǎng)（http：//csns.ihep.cas.cn/）。2018年，該工程經(jīng)國(guó)家驗(yàn)收正式投入運(yùn)行。位于松山湖的中國(guó)散裂中子源，是“十三五”時(shí)期我國(guó)建成的重大基礎(chǔ)科學(xué)裝置，總投資約人民幣23億元，是我國(guó)迄今為止單項(xiàng)投資規(guī)模最大的科學(xué)工程。截至2021年6月，中國(guó)散裂中子源的注冊(cè)用戶逾2000人，完成了來(lái)自全球眾多高等院校、科研院所及企業(yè)的課題超過(guò)500項(xiàng)，覆蓋了新型儲(chǔ)氫材料、鋰電子電池、新型超導(dǎo)材料、高強(qiáng)鋼、太陽(yáng)能電池薄膜等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，并取得了重要成果。

之后，我國(guó)的脈沖式散裂中子源的運(yùn)行束流功率歷經(jīng)2018年9月的20kW、2019年1月的50kW、2019年10月的80kW，直至目前束流功率達(dá)到了100kW的設(shè)計(jì)指標(biāo)。當(dāng)然，相較于前面三個(gè)先行者而言，我們也存在需要追趕的領(lǐng)域。比如，運(yùn)行束流轉(zhuǎn)功率方面。日本的1mW、美國(guó)的500 kW、英國(guó)的240 kW均比中國(guó)的100kW快得多。

如前文所述，要論應(yīng)用領(lǐng)域的廣度和深度，散裂中子源絕對(duì)可以比肩人工智能技術(shù)。散裂中子源在材料科技、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，能夠?yàn)楫a(chǎn)生高水平的科研成果提供有力支撐，并為解決國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略需求的許多瓶頸問(wèn)題提供非常先進(jìn)的平臺(tái)。散裂中子源的用處諸多，因此世界上發(fā)達(dá)國(guó)家都在建設(shè)散裂中子源上不遺余力。

目前，美國(guó)、英國(guó)、日本、中國(guó)均已經(jīng)建成了脈沖型的散裂中子源裝置。四國(guó)都十分重視散裂中子源裝置在材料科技領(lǐng)域的應(yīng)用。由于散裂中子源對(duì)于人工放射性同位素、中子活化分析、半導(dǎo)體器材、輻照加工等領(lǐng)域的突破發(fā)展具有重要意義，因此堪稱“材料內(nèi)傷的顯微鏡”。

中國(guó)的散裂中子源裝置主要包括中子通用粉末衍射譜儀、多功能反射儀、小角中子散射儀等。以實(shí)驗(yàn)需求十分旺盛的“中子通用粉末衍射譜儀”（GPPD）為例，它就是一臺(tái)超級(jí)CT機(jī)。不同的是，前者適用的對(duì)象是材料在分子、原子尺度上的微觀結(jié)構(gòu)。中子通用粉末衍射譜儀可以通過(guò)記錄中子射入一種特定物質(zhì)前后的軌跡特征，從而弄清其物質(zhì)結(jié)構(gòu)。目前，中子通用粉末衍射譜儀主要用于研究物體的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)，以滿足大多數(shù)來(lái)自材料科學(xué)、納米科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué)等眾多領(lǐng)域的科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的需求。這樣既可節(jié)省科研經(jīng)費(fèi)，又可縮短研究周期。

誠(chéng)如中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員、GPPD系統(tǒng)負(fù)責(zé)人何倫華所說(shuō)，“當(dāng)前，新材料成為我國(guó)建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的重要突破口之一。常規(guī)方法研制新材料周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大且成功率低。中子通用粉末衍射譜儀可以幫助科研人員看清新材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)”。在未來(lái)，散裂中子源還可以協(xié)助考古人員對(duì)文物進(jìn)行無(wú)損研究，通過(guò)散裂中子源，利用中子成像技術(shù)，看清文物的碳?xì)浠衔飿?gòu)成，進(jìn)而更易測(cè)算出文物的實(shí)際年齡。

毫無(wú)疑問(wèn)，散裂中子源的深度科研，將打開(kāi)人類對(duì)于微觀世界認(rèn)識(shí)的新窗口，開(kāi)啟人類構(gòu)建微觀世界的新紀(jì)元！

編輯：黃靈? yeshzhwu@foxmail.com

散裂中子源中國(guó)實(shí)驗(yàn)基地