作者：罗会仟 中国科学院物理研究所
编辑：明天
2017年8月28日10点56分18秒，位于广东省东莞市大朗镇水平村的中国散裂中子源高能质子打靶，成功产生慢化器输出的第一束中子，标志着中国的中子散射研究跃上一个新的台阶，中国人从此拥有了自己的散裂中子源。中国散裂中子源(简称CSNS)作为中国目前在建的大科学工程设施之一，究竟对我们的科学研究有什么用？中子散射到底是怎么一回事？中国的中子散射研究经历过什么？科学家对咱的散裂中子源又有什么期待呢？
中子: 一把自带指南针的“尺子”
人类对世界的认识，源自于对各种事物的度量。要“量”好一个对象，关键是选一把合适的“尺子”。例如姚明的身高，如果用一把最小刻度是1米的尺子量出来的结果就是2米（多点儿）；如果用最小刻度1厘米的尺子，量出来就是226厘米；如果用最小刻度是1微米的尺子，量出来也许就是2263158微米，或者说2.263158米。很明显，人们更容易接受226厘米这个说法，因为人眼对身高的辨识度就停留在厘米量级，所以对身高而言，厘米尺子就足够好用了。类似地，如果我们要去度量微观世界，该用一把什么样的“尺子”呢？
中子及其结构。制图：罗会仟
量子物理学告诉我们，万物皆有波动性，特别是在微观世界中，粒子也可以当成不同性质的波。这些波的波长与粒子的质量和能量有关。如果把这些波和对应的粒子当做微观世界的“尺子”的话，那么基本上，它们的波长就是能够测量的最小刻度。
细胞的尺寸在亚毫米到微米量级。观测细胞一般用光学显微镜，因为可见光的波长通常是在380-780纳米左右，属于亚微米量级。
细胞内分子的尺寸在纳米量级。如果要看到细胞核内DNA分子的结构，那就需要借助更短波长的X射线来帮忙。X射线波长在0.001纳米到10纳米之间，它不仅能“看”到原子的排布，还能“感受”到原子的相互作用力，是认识物质微观结构的利器。
电子的波长在0.1纳米左右，同样可以用来度量原子及其排布。包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜等，可以借助“扫描”、“透射”、“触摸”等方式来感知原子的存在。但是因为电子带电，想用这把“尺子”，就要求材料本身导电，或者非常之薄才行。
中子也是一种微观粒子，但它和电子、电磁波都不一样。中子不带电(内部三个夸克的分数电荷正好中和)，波长也可以和原子直径相当。更独特的是，中子还具有磁矩，也就像一个小小的“指南针”。如此特殊的“尺子”，必然相对于可见光、X射线、电子等，会有它独到的用武之地。
X射线、电子和中子衍射。图片来源：Wikipedia.org | fepul.com
中子散射: 看原子/自旋在跳舞
当一束中子打到样品上面，会遭遇样品中由原子织成的一张张“大网”，一些中子会穿透“网眼”而过。另一些中子则会与“网格”上的原子核发生相互作用，这个过程就叫做中子散射。通过测量中子入射和出射前后的变化，就可以量出原子核的相对位置，甚至它们的热振动行为。换句话说，中子散射可以精确地告诉我们原子核在哪里和做什么。
对原子而言，它的磁矩主要是由电子的自旋排布不均造成(电子也如一个个小磁针)。物体宏观的磁性正是由原子磁矩有序排列造成的结果。例如铁的磁性，就是原子磁矩排列完全一致的结果。原子磁矩/电子自旋也会对中子造成散射，叫做自旋散射。通过测量自旋散射对中子的影响，科学家就能够了解材料内部磁性的微观结构，以及结构之间复杂的相互作用。换句话说，中子散射也可以精确地告诉我们原子磁矩(电子自旋)在哪里、怎么样、做什么。
因此，中子散射能告诉我们原子/自旋是如何组队的，又是如何在“跳舞”的，甚至辨识出“舞蹈的音乐”是怎么样的。拥有如此强大的能力，不愧是一把好尺！
中子散射的基本原理。图片来源：sott.net | 翻译：罗会仟
相比于另外一种大家熟知的微观“尺子”——X射线来说，中子有优点，也有缺点。
X射线散射主要是原子中的电子造成的。原子内部电子数目越多，造成的散射就越强。因此，X射线对原子序数小、电子数目少的原子极其不敏感。例如氢原子就很难用X射线来探测。然而中子不仅对氢这样的小原子很敏感，而且对它们不同的同位素原子的散射还具有强烈的选择性。比如氢原子对中子的散射非常强，但是氢的同位素氘原子对中子的散射就要小得多。所以，中子散射不仅能轻易地分辨出生物大分子里的氢原子，还能精细地分辨出这些氢原子的同位素组成。当然，某些原子的同位素对中子存在极其强烈的吸收，这也会给中子散射带来许多困难。
产生X射线的方法相对简单，所以在小型实验室和医院就可以实现X射线的衍射和拍片等工作。对于高能量的X射线，需要依赖于大型的同步辐射光源来实现。由于X射线的准直性很好，容易聚焦，获得的光通量密度非常高，所以不需要很大尺寸的样品。但是因为X射线的穿透能力不如中子，所以更多的时候，只能对样品表面附近进行测量。
相比较而言，产生中子的方法比较麻烦，而且准直性差，聚焦困难，导致通量很低，但是中子的穿透能力很强，所以用中子测量时一般要求大尺寸的样品，实现的是对样品的宏观体测量。
另外，X射线的能量较高，因此对材料中低能的非弹性散射并不是很敏感，测量精度比较差。中子的能量可以被调整到可以与材料中的低频原子（？）相互作用的能量量级，是很好的非弹性散射测量手段，特别是对材料的自旋动力学测量有着不可替代的作用。近年来，非弹性X射线散射的发展迅猛，而中子散射的技术提升要慢得多，这主要是受到了中子源发展和中子谱仪设计的各种限制。
弹性中子散射测量材料中原子排列方式。图片来源：英国ISIS散裂中子源isis.stfc.ac.uk
散裂中子源: 脉冲中子产生工厂
中子存在于原子核之中，要想获得中子，就必须让它从原子核里面跑出来。利用天然放射性衰变产生的α粒子与铍等反应就可以产生中子，然而用这种方法获得中子的数量十分稀少，几乎无法用于中子散射的研究。常用的产生中子的方法有两种：核反应堆中子源和散裂中子源。
核反应堆中子源主要就是利用铀元素裂变的链式反应，但是和核电站的反应堆不同，反应堆中子源更主要的目的是释放尽可能多的中子，而且要将其慢化到足够的低的能量——因为链式反应产生的中子都是MeV量级的快中子，而中子散射需要的是meV量级的热中子或冷中子。用重水浸泡反应堆芯，就可以让反应堆产生的中子在不断和氢原子碰撞的过程中逐渐减速，最终提高meV量级的中子数目。但即便如此，核反应堆产生的绝大部分中子也是被浪费掉了。核反应堆具有高辐射性，需要很严格的辐射屏蔽，产生的中子也是连续不断的，无法控制。而且反应堆本身的安全也十分敏感，大都需要军事化管理。这些都对中子散射实验带来不少困难。
散裂中子源是目前发展较快的新型中子源，其原理就是把质子加速到GeV量级后，去打用钨、汞等重金属(含中子数目多)做成的靶子。质子把金属靶里的原子核打碎，原子核在退激时蒸发/裂变过程产生MeV量级的中子，在慢化器中进一步慢化到1 eV以下，再输出到谱仪。因为质子是脉冲式的，所以产生的中子也是具有脉冲时间特征。利用高速旋转的斩波器，可以把中子分割成一段段的脉冲。只要测量中子飞行的时间，就可以准确计算出中子的能量。再根据中子散射的角度，就可以计算出中子的动量改变。两者结合就知道了中子在材料中散射过程受到的何种相互作用及其强度分布。
散裂中子源产生的中子能谱偏硬，对辐射屏蔽的要求也很高，但只要辐射屏蔽做好，在实验大厅的辐射几乎和自然界相当。相对反应堆源来说，散裂中子源可以利用宽波段的中子，中子能量可以跨越数个数量级。提高质子加速器的功率和优化靶站设计，就可以提高散裂中子源的束流强度，而其脉冲特性有利于控制和测量。
目前仅有美国、日本和英国建有脉冲式散裂中子源。中国散裂中子源建成后，功率将和英国散裂中子源相当，跻身世界上少数几个散裂中子源科学平台。欧洲目前也正在瑞典建设欧洲散裂中子源，且具有很高的束流强度和先进的谱仪设计。
在未来20年内，50年代建设的欧美反应堆中子源大都面临关闭停堆，散裂中子源无疑是未来中子散射平台的最佳选择。
英国ISIS散裂中子源模型。摄影：罗会仟
中子谱仪：度量微观世界的神器
有了中子源，就相当于有了灶台，但这还不足以做出一盘佳肴。我们还需要高品质的锅(中子谱仪)、好手艺的大厨(谱仪科学家和科学研究人员)和精致的食材(样品环境和高质量样品)。针对不同的测量需求，有着不同种类的中子谱仪。
1942年，费米利用天然辐射的中子演示了中子散射可能用于固体材料结构的研究，就像X射线衍射一样。1943年，第一个核反应堆中子源在美国建成，标志着中子散射技术的开始。在美国科学家E. Wollan和C.Shull的努力下，第一台用于单晶衍射的弹性中子散射两轴谱仪建成，并成功获得了NaCl的晶体衍射图。后来，N. Brockhouse等改进谱仪为三轴谱仪，进一步可以测量中子的非弹性散射。Shull和Brockhouse因为中子散射的先驱工作为此获得1994年诺贝尔物理学奖。他们和他们的学生也培养了许多现在从事中子散射研究的科学家。
由于中子具有强烈的穿透性，某些材料(如铝)对中子而言几乎是透明的。因此可以在测量样品上加载各种样品环境，例如低温、高压、磁场、电场、应力等等，由此观测样品在各种环境下的物理性质。
中子粉末衍射谱仪和单晶衍射谱仪基本和X射线衍射谱仪一样，可以用于测量晶体的微观结构，但它们还能测量材料的磁结构。同时，中子衍射也能准确地测量晶体可能存在的结构相变或磁性相变。特别是对于新材料而言，其晶体结构和磁结构能在粉末中子衍射下几乎一览无余。因此，中子衍射谱仪是材料探索和研究的一把利器。
中子三轴谱仪是最为灵活的谱仪，它能进行弹性中子散射和非弹性中子散射测量。通过选择入射中子和出射中子的能量和动量，就可以测量样品中对应的相互作用过程。特别是材料中的低能微观相互作用，对应着宏观上电、磁、热、力等性质，加以研究就能解释材料的物理本质。中子三轴谱仪是凝聚态物理研究的重量级工具之一。
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