物質由分子和原子組成，原子核又包含了中子和質子。中子不帶電、穿透性強，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，是科學家探索微觀世界的理想探針。

當中子與被研究對象的原子核相互作用而改變運動方向時，科學家通過分析散射中子的軌跡、能量和動量的變化，就能反推出物質的結構。這就好像我們不斷往一張看不見的網上扔彈珠，有的彈珠穿網而過，有的則打在網上，彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡，就能大致推測出網的形狀;如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強，就能把這張網精確地描繪出來，甚至推斷其材質。

散裂中子源就是這樣一座生產、發射彈珠的 “超級工廠”。它的原理是，先把質子加速到一定的能量，再把質子束當成“炮彈”，去轟擊重金屬靶從而產生大量中子。科學家通過特殊裝置“操控”中子，用中子做探針觀察微觀世界，成為研究物質靜態微觀結構和動力學機制的“超級顯微鏡”，這對解決國家重大戰略需求和前沿科學諸多領域的瓶頸問題有著重要意義。

速調管研制成功

散裂中子源開啟加速跑

2023年，中國散裂中子源運行超過5000小時，在新能源、合金、高分子、信息材料等領域創造出一批源頭創新成果。為了滿足更多更高的用戶需求，中國散裂中子源二期工程建設也即將啟動，關鍵設備的研制目前正在緊張進行中。

在散裂中子源科學中心的實驗室里，近日成功研制的關鍵核心設備——首臺全國產化P波段大功率速調管，經過連續24小時無故障運行，全部性能指標均達到或超過設計要求，順利通過驗收。至此，中國散裂中子源二期工程關鍵加速器核心設備都擁有完全自主知識產權，整體國產化率已接近100%。

研發團隊成員劉華昌表示，速調管功率源由多個關鍵部件和系統組成，用于將電功率轉化為高頻微波功率，為粒子束流提供加速動力。它是中國散裂中子源二期工程中，加速器打靶束流功率從100千瓦提升到500千瓦的關鍵設備之一。

中國散裂中子源科學中心加速器技術部副主任 劉華昌：我們的一期4臺這樣的設備，能夠將離子的能量從3兆電子伏特加速到80兆電子伏特，對應的離子速度，大概是不到0.4倍的光速。而我們二期會增加大概有20臺這樣的設備，將離子的速度進一步從0.4提高到0.65倍的光速。

這就好比汽車的發動機，將化學燃料轉化為機械動能，驅動汽車前進。由于二期工程是在一期的基礎之上升級而來，功率五倍的提升完全靠束流的流強提升，需要采用超導腔將直線加速器的能量大幅提升，這對速調管的性能和指標提出了更高的要求。當時，這種設備國內尚無研發和制造能力，一期工程只能選擇進口，沒想到卻給如期完工，包括后續穩定運行帶來了一系列的影響。

中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：一期用的4臺是從美國進口的，最開始調束之前就成為我們的一個瓶頸，這4臺速調管返回美國重新維修了五次，都發現大的質量問題。從那之后，也結合高能所的研究方向，我們就開始國產化自主技術的研究。

大功率速調管這種電真空器件，零部件數以百計，涉及多個學科領域。從研制到安裝，每一個環節都必須精確無誤。高通過率電子光路要求傳輸效率達到100%，所有零部件的安裝精度要控制在20個微米之內，這個數值只有人頭發絲直徑的1/4。

讓劉華昌他們這些研發人員記憶最深的是，速調管的真空標準是標準大氣壓的千億分之一。這對大尺寸銅腔的焊接材料和技術是一個嚴峻的挑戰，稍有不慎，就容易頻繁出現打火現象，輕則影響裝置的穩定運行，重則導致整個功率源設備的損毀。

中國散裂中子源科學中心加速器技術部副主任 劉華昌：我們反復進行了實驗驗證，幾個月，經歷了幾十次、上百次的實驗，選擇了這種焊料。

中國科學院高能物理研究所科研團隊和上下游企業通力合作，一道攻堅克難，最終圓滿完成了研發試制任務。中國散裂中子源二期工程的前期準備工作已全部就位，即將開始加速跑。

中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：二期工程會把散裂中子源最主要的技術指標，就是質子束流的功率提升5倍，使它的研究能力大大提升，同時會新建9臺中子譜儀。二期工程全部完成以后，散裂中子源的研究能力已經基本覆蓋了所有的中子散射(應用領域)。

中國散裂中子源譜儀大廳

原始創新新高地

中國散裂中子源由直線加速器、快循環同步加速器、靶站以及中子散射譜儀等部分構成，其中加速器部分都在13米到18米的地下。地面之上的譜儀大廳，就是科學家的云集之地。年終歲末，來自全國各地的科學家依然在這里進行最前沿的科技攻關。

來自東北大學的高建榮團隊與散裂中子源的譜儀科學家一起，正在為即將開始的高溫合金定向凝固原位中子衍射實驗做最后的準備。

東北大學教授 高建榮：我們這個(實驗)涉及高溫真空環境，要研究高溫合金，就是做飛機發動機葉片的那種金屬材料，從液體變成固體的過程當中，它的缺陷是如何形成的。

航空發動機被譽為現代工業的“皇冠”，這顆“皇冠上的明珠”就是航空發動機上的葉片。我國雖然也能生產航空發動機葉片，但多年來質量和性能仍有待提高。

高建榮表示，航空發動機葉片為空心結構，材料特殊，結構復雜，要想提高國產飛機葉片的質量和制造效率，首先必須對材料有充分認識。早在五年前，他就開始構思利用中子穿透性強的特點，進行高溫合金定向凝固的原位觀測實驗。

中國散裂中子源科學中心副主任 梁天驕：這種實驗包括相關的設備研制應該說是非常有挑戰性。高溫合金在模殼內融化，而且在這個里面垂直方向上運動，我們在整個生長過程中間，我們是不是都能夠獲得可靠的數據，這是高老師非常擔心的事情。

東北大學教授 高建榮：在這么復雜的條件下，我們能不能真的用中子觀察到這樣的信號，原理上來講覺得行，但是真正能不能看得見，我心里一點譜都沒有。

散裂中子源的譜儀科學家設計了幾個分解實驗，來驗證定向凝固設備的中子衍射實驗可行性，支持高建榮將更多的時間精力用于設備的研發上。半年后，高建榮得到驗證實驗成功的消息。

2018年，中國散裂中子源正式投入運行，使我國成為世界上第4個擁有脈沖式散裂中子源的國家。散裂中子源從2018年一期工程完成三條譜儀建設后，近五年來又跟高校、科研機構等展開合作，先后啟動了八條譜儀的建設。如今的譜儀大廳里，圍繞著靶站，五顏六色的混凝土模塊搭建起各具功能和特色的譜儀。每個色塊搭建的空間就是一個實驗站，為我國在磁性材料、高效催化劑、金屬玻璃、高分子聚合物等諸多領域的研究提供了重要的實驗平臺。

四面出擊

中國散裂中子源結出累累碩果

如果散裂中子源是探索物質微觀世界的超級顯微鏡，那圍繞著靶站的一條條譜儀就是一個個不同的鏡頭，滿足不同學科、不同方向的科研需求。2023年，依托散裂中子源產出了一批又一批的原創成果，也為相關產業高質量發展提供了源頭動能。

大氣中子譜儀是散裂中子源今年新運行的一臺譜儀，它可以加速模擬宇宙射線打到大氣層產生的中子輻照環境。過去，我們在大氣層內與地面的很多電子元器件的失效，都跟大氣中子的這種輻照有關系，特別是航空領域，電子設備失效的問題更為關鍵。

中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：在實驗室正常的情況下去找，可能他們做了十幾萬個小時都找不到原因。但是在我們這里面，我們可以(用)10的8次方的速率加速它，就是說我們以1億倍的速率，我在這做一分鐘，相當于我做了1億分鐘，就是很多年的測量，所以在我們這很快就定位了故障，就可以去加固它。加固之后再用我們的檢測發現定位很準確，加固的效果也很好。

2023年，依托中國散裂中子源，在新能源汽車領域，通過原位觀察鋰電池的充放電過程，首次發現了電池在充放電過程碳鋰化合物的一種不均勻現象，顛覆了業內對此的認識，為鋰電池的性能改進和提升開拓了新視野。

在工程領域，完成了國產高鐵車輪的原位應力測量，首次給出高鐵車輪完整的應力數據。為國產高鐵車輪的安全性評價，以及使用壽命的正確判斷，提供了非常重要的數據支撐。

中國科學院高能物理研究所副所長 中國散裂中子源二期工程總指揮 王生：今年其實一直都很繁忙，我們散裂中子源現在每年開放的時間是世界上最長的，開放5300個小時，所以是全年無休的。到明年我們的中子譜儀會增加到11臺全部開放，這使我們的研究能力會有很大的拓展。

散裂中子源自投入運行以來，已累計完成10輪開放運行，年均開放機時超過5000小時，注冊用戶已達5000多個。2023年全年完成376項用戶實驗，其中有多篇學術論文在國內外一線學術期刊發表，遠超國外散裂中子源相同階段的成果產出水平。在航空航天、磁性量子材料、新能源、高性能合金、信息材料等眾多領域產出了一批重大原創成果。

此外，二期工程建設即將正式啟動，未來譜儀數量將增加到20臺，加速器打靶和靶站功率將從100千瓦提升到500千瓦，大大提高實驗精度和速度。屆時，散裂中子源將測量更小的樣品，研究更快的動態過程，為我國高水平科技自立自強作出更多更大的貢獻。