散裂中子源是体现一个国家的科技水平、经济水平和工业水平等综合实力的大型科学研究装置。CSNS作为发展中国家的第一台散裂中子源,其建成将进入世界四大散裂中子源的行列,提高我国的科学地位。CSNS是开展前沿学科及高新技术研究的先进大型实验平台,能够为我国的多学科创新在国际上占领一席之地提供良好的机遇。中子散射应用在物理、化学、生命科学、材料、纳米等学科领域,有望使我国在如量子调控、蛋白质相互作用、高温超导机理等重要前沿研究方向实现突破。大型质子加速器的相关技术的发展也将为一些重要的应用如质子治癌、加速器驱动的次临界洁净核能源系统(ADS)等打下坚实的基础,储备丰富的工程经验。CSNS的建设不但会对我国工业技术、国防技术的发展起到有力的促进作用,也会带动和提升众多相关产业的技术进步,产生巨大的社会经济效益。建设地址选在广东也有利于我国科技区域布局的进一步合理化,促进我国科学技术与社会经济更加和谐、协调地发展。CSNS在正常运行状况下其科学寿命超过30年,将在今后二、三十年为我国在多学科领域的科技创新做出巨大贡献。 一、科学意义
中子散射是人们了解物质微观结构和运动状态的重要工具之一。中子散射第一次直接测定了反铁磁结构的自然存在,验证了法国科学家奈尔(Louis Neel)反铁磁相互作用的猜想,帮助他荣获1970年诺贝尔物理学奖。磁有序结构的中子衍射测量,加速了磁相互作用理论的完善,推动多体凝聚态理论和实验的发展。传统超导体中电子自能的中子散射能谱,与超导隧道实验结果惊人一致,才使人们最终相信解释常规超导体中超导机理——电声相互作用的BCS理论。美国科学家沙尔(Clifford G. Shull)和加拿大科学家布罗克豪斯(Bertram N. Brockhouse)因开创性的中子散射实验技术荣获1994年诺贝尔物理学奖。年产值几十亿美元的、有“磁王”美誉的第三代稀土永磁材料Nd-Fe-B的晶体结构和磁结构最终由中子散射实验测定。 散裂中子源起步较晚,但发展很快。上世纪九十年代,ISIS的有效中子通量超过了反应堆。利用散裂中子源丰富的短波长中子和飞行时间技术,可以方便快捷地获得高精度结构解释所需的高动量转移数据、原子间相互作用的声子态密度、有机分子中起重要作用的氢键结合能等,产出了一大批高水平的研究成果。液氮温区的高温超导体Y-Ba-Cu-O的结构确定,就是在IPNS上由粉末中子衍射实验最终实现的。在ISIS的中子散射谱仪上,科学家们测量了高温超导材料中整个布里渊区内声子和自旋涨落特征、含氢无机材料氢原子的运动和有机分子中氢键结合特征等,为人们全面认识高温超导机理和氢原子运动规律提供了重要的实验依据。
CSNS预计2016年前后建成,届时将位列世界四大散裂中子源之一。CSNS建成后,将为涉及物质材料的物性和微观结构与动态的众多前沿学科提供一个功能强大的综合性研究平台。科学家将利用CSNS在相关领域内发现和认识新的现象和规律,并在我国已逐步形成的优势领域内实现突破,如高温超导材料和机理、稀土永磁材料、纳米科学和技术、基因和蛋白质工程等。高温超导的形成可能与体系中声子和磁激发密切相关,中子散射正是探测它们的合适工具。通过多方面、多层次的实验,深入了解体系中电荷、自旋、轨道以及晶格之间的相互作用,结合其他测量,有望最终解决高温超导的微观机制,为开发新型高温超导材料提供指导。氢离子(即质子)的带电量与电子相同,质量却在电子与其他重离子之间,因此,它的运动完全不能用目前已有的凝聚态理论来描述。氢键的形成和运动又是生命活动中的关键因素之一。中子散射对氢离子特殊的辨别能力,可以提供令人信服的实验数据,发展能准确描述氢离子运动规律的凝聚态新理论。