|基本情况|大事记|回旋加速器|脉冲中子源|散裂中子源|实验设施|生物医学|60年成就|纳米中心|

|引言|中子|散裂|SNS简介|中子散射研究意义|

引 言

世界上多数的中子源是几十年前建造的，虽然数年来对中子的使用和需求增加，但只建造了少数几台新的中子源。美国能源部科学局现已拨款在ORNL建造一台新的以加速器为基础的中子源-散裂中子源（Spallation Neutron Source，简称SNS）（右图），为科学研究和工业开发提供世界上最强的脉冲中子束流。

由于高技术界提出要求，所以需要有在苛刻条件下更结实、更轻和更便宜但性能好的新材料。像X射线和中子源这样的主要研究设施被更多地用来了解和“监造”原子水平的材料。这样的材料大大改进了性质，提供更好的性能和新的应用。下面是几个例子。

电子器件需要更小、更快的元件。为提高速度降低燃油消耗，商业和军用飞机以及宇宙探测器需要新的更轻的合金和更结实的焊接。汽车使用更多的高温材料、重量轻的合金和塑料，使燃料效率更高和减少污染。计算机使用磁性材料，需要不断提高存储能力。新的高温超导材料可生产出效率更高的马达，使电力传输效率更高。设计药品和基因工程使医药和保健革命化。中子散射研究在更多领域起着重要作用。

用来自一套大加速器整个装置的高能质子打水银靶，SNS装置中产生强大中子束流。质子将在称为散裂的反应过程中激励水银，释放出中子，这些中子形成束流，引向中子仪器。 利用这些复杂的仪器，（SNS全面运行时，将有多达50 台这样的仪器。）科学家和工程师们将探讨一系列新颖材料最本质的结构细节。

为设计和建造SNS，能源部所属6个国家实验室（LBNL、LANL、ANL、ORNL和BNL）建立了伙伴关系（右图）。这样大规模的伙伴关系是建造能源部主要装置的一种新思路，是未来的一个样板。SNS建在橡树岭国家实验室，它负责管理这一伙伴关系，最后负责SNS的运行，其他成员参与这一项目的实验室负责设计、建造和自己负责的部件的安装。这种伙伴关系可供采用最佳的技术诀窍和现有的最新技术，在设计和建造过程中最有效利用能源部实验室的人力和各种资源。

SNS计划于2006年竣工。像能源部其他实验室一样，SNS将作为一个用户装置对来自美国和外国大学、工业界和国家实验室的科学家和工程师开放。用户已经确定了SNS的性能参数，并设计和使用自己的仪器。设计SNS时曾考虑了未来，在数年内，它都是主要的中子研究装置。

什么是中子? 

中子是构成物质的基本粒子。这个1932年发现的不带电粒子与带正电的质子存在于典型原子的原子核中，质子和中子具有相同的质量，两个均可作为远离原子核的自由粒子存在。宇宙中，中子是大量的，构成一半以上的所有可见物质。但对于研究物理和生物材料来说，缺乏亮度正好的中子。正像我们喜欢用亮灯而不是暗灯看书中密的印刷字体那样，研究人员更喜欢亮度更高的中子源。这种中子源能快速给出详细的物质结构图和分子的连续运动图。SNS将提供这些亮度更高的中子。SNS像个频闪灯光提供物体的高速照明，每17毫秒产生中子脉冲。其产生的中子数是现有功率最大脉冲中子源产生中子的10多倍。就像用公园里的软管冲洗石头喷射出来的水一样，从束流来的中子以揭示其结构和特性的方式从靶材料“散射”。左图为含有锌离子的两个胰岛素分子模型。为进行中子衍射研究，胰岛素分子要晶体化。在其晶体化过程中，胰岛素分子吸附锌离子（球）。中子衍射研究揭示了胰岛素结构。

中子有哪些特性？

因为中子对氢原子独特的敏感性，所以它们能够对氢 原子进行精确地定位，能够更准确地确定分子结构，这对设计新药很重要。因为大的生物分子有无数氢原子，所以要看生物大分子部分的最佳办法是通过同位素替换，即用重氢（氘）原子替换氢。氘原子和氢原子散射中子不同。故采用一种称为对比变量的技术，科学家们可以集中研究不同类型的分子，像核酸，或染色体中的蛋白质以及大分子中每个成分与吸附无关的结构 信息。从氢在水中衍射出来的中子可以确定战斗机机翼中存在少量水分的位置 - 微观破裂和早期腐蚀的迹象，精确定位机翼应该更换的部位。除氢外，中子可精确确定重原子中其他较轻原的位置。中子的这种能力使科学家们确定一种有希望的高温超导陶瓷镱钡铜氧化物中轻的氢原子的关键位置。将来的某一天，线可用来提高电机、发动机、传输线、变压器和有磁铁的设备，如用于研究的加速器、医疗诊断机器和高速磁悬浮列车的能效。

右图为在阿贡国家实验室强脉冲中子源上开展的中子散射研究为一个样品产生的数据。该样品显示肽（圆柱体）将自己插入它们在细胞膜中形成的孔中。

左图为镱钡铜氧化物的原子模型。镱钡铜氧化物是一种超导陶瓷，它的氧位置是有中子散射确定的。
中子像一个指南针针指向的小条形磁铁；磁化的大小和方向称为磁矩。可形成磁矩指向同一方向的"极化中子"束流。这样的束流能使科学家们研究磁性材料的特性（像信用卡和CD盘）并测量磁场穿透中和由超导体产生的波动。
因为热中子的能量几乎与运动中的原子的能量匹配，所以中子可用来追踪分子的震荡、催化反应中的原子运动和受外力物质行为的改变，像温度、压力或场强的升高。用这一方法，研究人员就可看到原子连续运动的情况。

利用中子散射。科学家们可以了解从液态晶体到超导陶瓷，从蛋白质到塑料，以及从金属到胶粒物质特性的详细情况。为什么中子散射对研究人员有用？中子散射是有关固体位置、运动和特性的信息源。中子束流瞄准样品时，许多中子穿过这一材料。但有些中子将直接与原子核发生相互作用，按一个角度弹回，就像游戏中的碰撞的球一样。这种行为称为中子衍射，或中子散射。

利用探测器，科学家们可以计算散射的中子，测量能量和散射的角度，以及标出它们的位置（以各种强度的点衍射图显示）。用这种方法，科学家们可以了解从液态晶体到超导陶瓷，从蛋白质到塑料，从金属到胶粒到金属玻璃磁铁材料性质的详细情况。中子散射对科学界的重要性，从1994年诺贝尔物理奖授予Clifford Shull（右图）和Bertram Brockhouse 得到承认。前者首先在ORNL利用中子散射破译材料结构，后者则在其加拿大的实验室利用中子散射了解材料中有关原子的运动。

中子散射是如何影响人类的生活? 

虽然中子散射的研究成果对多数人不明显，但是这些成果改进了我们日常生活中使用的大量产品极其质量。例如：喷嘴、信用卡、袖珍计算机、光盘、计算机盘和磁带、农用沙虫剂、防碎挡风玻璃、可调坐椅和车中自动窗户开启器、油储藏地质图、卫星天气预报信息。中子也是研究人员用来研究改进用于高温超体、大型轻重量磁铁、铝桥面和更强更轻塑料产品材料的主要工具。

(a) 中子被用来研究骨头在发展中如何矿化和它们在骨质疏松过程中如何腐烂。这样就使我们设计和测试治疗使矿物质减少的疾病的药物成为可能。

(b) 住院的人中，三个人中有一人（每年约一亿人）得益于中子产生的同位素。

(c) 中子帮助我们开发许多产品如光盘使用塑料的改进聚合物。

中子散射被许多学科用来研究材料中原子的排列、运动和相互作用。中子散射之所以重要，原因是它提供用其他技术常常不能获得的有价值的信息，比如光谱学、电子显微学和X衍射。科学家们需要所有这些技术，以便提供最大量的有关材料方面的信息。

上图显示出反应堆和脉冲中子源性能的演变。近年来，加速器技术的迅速改进使设计和建造非常强的中子脉冲源成为可能。

虽然美国首先开发和使用早期的中子源，但是欧洲人和日本人却利用这一早期的技术，开发出近15-20年世界上最佳的新的中子源。然而，即使这些中子源也相当陈旧了。因为SNS将是世界上最先进和功率最大的脉冲中子源，所以它提供其他地方没有的研究机遇。这一独特的装置将吸引全球许多学科的科学家和研究人员。在ORNL散裂中子源上的研究将超越基本研究和开发，导致技术和工业的突破，最终不仅造福于美国科学界，而且造福于美国的实业和工业界。

什么是散裂? 

当快速粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被"剥离"，或被轰击出来，在核反应中被称为散裂。被轰击的原子核升温时，其他的中子"蒸发"。对每个轰击原子核的质子来说，都有20-30个中子被轰击出来。（右图）

散裂中子源如何工作?

带负电的氢离子由离子源产生。每个离子有一个质子和在轨道里运行的两个电子组成。离子被注入直线加速器加速到很高的能量。离子通过金属箔，剥离每个离子的两个电子，将其转换为质子。质子通过一个环，累积成束团。每个质子束团作为一个脉冲从环中释放出来。高能质子脉冲打击重金属靶，该靶是个液体水银容器。散裂过程释放的相应中子脉冲在减速剂中减速，通过光束线引到有专门仪器如中子探测器的区域。一旦到达这样的区域，不同能量的中子就可用于各种类型的实验。

左图为利用中子散射数据从数据模拟方法预言的Ca-A沸石结构 (钙离子是兰色，硅是红色，铝是紫色，氧是绿色)。因为钙离子与氮和氧的亲和力不同，所以沸石增强了它们的分离。

SNS的建造

中子科学界很早就认识到需要有以反应堆为基础（稳态或连续）和以加速器为基础（脉冲）的中子源。对许多有趣的研究问题来说，有一系列脉冲的中子和有连续的中子源一样好，或前者比后者好。脉冲中子源产生的中子的流强高于连续中子源产生的中子的流强。近年来，加速器技术有了很大改进，使设计和建造一种新的产生中子脉冲的中子源成为可能。SNS产生的脉冲，每个中子的流强比从最佳连续中子源获得的高50-100倍。以加速器为基础的中子源产生的强、短脉冲束流可以对散射中子进行飞行时间分析，研究广泛的科学问题和进行实时分析。从环境上来说，以加速器为基础的中子源比反应堆更易于被接受，而且将来在改进中子的峰值流强方面展现出更大的希望。

上图显示：中子运行过一条固定的线路后按能量分开(L)，使得许多不同能量和波长的中子用于实验。

每个脉冲都有各种波长和能量的中子；最高能量的中子波长最短，对低能量的中子波长最长。因为热中子运行缓慢，所以在短距离内可以对它们的进展精确地定时。每个脉冲里都包括所有能量的中子，所以通过让它们向前走几米的短路，就能将不同能量的中子分开。高能中子在中能中子之前到达样品，最低能量的中子到达样品的时间用的最长。因为中子的能量按时间分布，所以单个中子的能量容易由飞行到样品的时间来加以确定。因为所有能量的热中子可用于散射实验，所以飞行时间技术能够为到达样品的每个源脉冲收集许多数据点。另外不像连续中子源通常的情况那样，在实验中不需要中子探测器移动，从而易于在样品周围放置大型探测器阵列或多个探测器。

1996年，美国科学界基于中子源的优良性能向能源部推荐建造下一代散裂中子源。从此，便举办了一系列的座谈会和讨论会，让用户提出对散裂中子源的性能要求，并选择要建造的仪器，作为工程的一部分。

能源部所属6个国家实验室合伙建造的SNS，于1997年5月完成概念设计报告，1999年7月，由独立的技术专家对技术指标、造价和进度基线进行了评审并予以批准。这个基线设计包括了用户、伙伴实验室和外面技术专家的建议和意见。1999年6月，正式批准将ORNL作为SNS的建造地，1999年12月15日破土动工。

从环境上来说，以加速器为基础的中子源比反应堆更易于被接受，而且将来在改进中子的峰值流强方面展现出更大的希望。SNS 每年将吸引来自美国和其他国家大学、工业部门和实验室1000到2000名科学家。中子散射研究的各种应用，将为在美国国民经济实际上做出重大贡献的每个科技领域里的专家们提供机遇。右图显示SNS的用户将来自全世界。

散裂中子源（SNS）简介 

SNS的伙伴关系

SNS是个合作项目，美国能源部所属6个实验室（阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、托马斯杰斐逊国家实验室、劳伦斯伯克力国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室和橡树岭国家实验室）参与设计和建造世界上功率最大的用于中子散射研究与开发的散裂中子源。初步设计要求加速器系统由一个离子源、一台全能量直线加速器（直线加速器）和一台累积环组成。三者合在一起产生短的强大质子脉冲。这些质子脉冲撞击一个水银靶，通过散裂核反应过程产生中子。SNS将1.4 MW的束流功率发送到靶。设计时，还为将来增加科学成果留有余地。这一思路旨在提供一台进入下一世纪足以满足科学界对中子流强要求的装置。

中子源

劳伦斯伯克力国家实验室 (LBNL)负责设计和建造SNS的前端系统，包括离子源、束流形成和控制软件以及低能束流输运和加速系统。离子源产生负氢离子–多带一个电子–形成一个脉冲束流，加速到MeV。该束流被送到一台大型直线加速器。

直线加速器

洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)负责直线加速器。该直线加速器将负氢束流从2。5加速到1000 MeV，或1 GeV。该直线加速器由正常传导和超导高频腔叠加而成，腔体加速束流和提供聚焦和导向的磁铁布局。使用了三种不同类型的加速器。前两个加速器，即漂移管直线加速器和耦合腔直线加速器由铜制成，室温运行，将束流加速到约200 MeV。其他部分的加速由超导铌腔完成。超导铌腔由托马斯。杰斐逊国家实验室(JLab)负责。这些腔体用液氦冷却到工作温度2000。诊断部件提供有关束流电流、形状、定时方面的信息，以及确保束流适于注入到累积环，并使高功率束流得到安全控制所需的信息。

累积环

布鲁克海文国家实验室(BNL)负责累积环结构。该结构增强离子束并使离子束形成束团，发送到水银靶，产生脉冲中子束。直线加速器产生的强负氢束流必须锐化1000次，以便产生最佳中子散射研究所需要的极短和尖锐的中子束团。为实现这一目标，直线加速器产生的负氢（H -）脉冲通过剥离金属箔被掩蔽在环中，剥离金属箔从带负电荷的氢离子剥离电子，产生在环中运行的质子(H + )。大约累积1200圈，然后所有这些质子立即被踢出，产生小于10^–6秒的脉冲送到靶。用这一方法，以每秒60次的速率产生、储存和引出短的强中子脉冲打靶。

设计时留有升级到更高功率的余地，足以满足科学界在下一世纪对中子流强的要求。

靶

橡树岭国家实验室（ORNL）负责设计和建造液体水银靶。因为进入的1GeV 质子束流的短强脉冲要将大量的能量存在散裂靶中，所以决定采用液体水银靶，而不是像钽或钨这样的固体靶。SNS是第一个采用纯水银作为质子束流靶的科学装置。

选水银作为靶有几个原因：(1)它不像固体靶，它不会被辐射损坏；(2)它有高的原子序数，成为一个无数中子的源（水银原子核平均有120个中子和80个质子）；(3)因为室温时它是液体，所以它比固体靶更能消除温度大量快速上升，并经受住快速高能脉冲引起的冲击效应。

从靶出来的中子必须变成适用于研究的低能中子–就是说，它们必须减速到室温或更低点。从靶来的中子通过装满水的管（产生室温中子），或通过温度20K的液氢容器（产生冷中子）减速。这些减速剂位于靶的上部和下部。冷中子特别有助于研究聚合物和蛋白质。左图为SNS靶区—下部减速剂正视图。

SNS是一种产生中子的特有安全方法，因为质子束中断后中子产生停止。它还产生极少的危险物质。为使装置的安全性达到最大程度，SNS设计中包括有多种牵制水平，防止潜在的危险物质进入环境。

SNS上的仪器和实验设备

阿贡国家实验室(ANL)主要负责为SNS开发中子散射仪器，并与ORNL密切合作开发实验设备。SNS开始时有一个靶站，工作频率为60 Hz。将用两个“热”减速剂和两个“冷”减速剂为8条光束线服务，在这些光束线上将建造各种仪器。SNS期待每年有来自科学和工业界的1000 – 2000个用户使用其实验设备。因为不是所有这些用户都是中子散射方面的专家，所以SNS将提供科学家和技术员维护和运行这些仪器，并同用户界密切合作。右图为SNS上的仪器示意图.最终使用的仪器由用户界通过SNS仪器监督委员会确定。

广大用户已经参与，并将继续参与SNS仪器的选择、设计、建造和运行。在1996年10 月召开的用户仪器需要和性能度量标准讨论会上，用户推荐并按先后顺序在60-Hz靶站安装一套10台仪器，留下8条光束线给合作研究小组，让它们开发和安装另外的仪器。

SNS上的科学研究

SNS的仪器如中子谱仪将用来确定晶体、陶瓷、超导体和蛋白质中原子的位置和排列。中子谱仪是如何工作的呢？由散裂中子源产生的中子脉冲沿着飞行轨道到样品。由于中子有各种能量和波长，所以它们按时间分布，给出一个到样品的连续谱。左图为通过让中子源的中子全谱从一个晶体散射进入到对位置敏感的多个探测器获得原子结构。当晶体中原子之间的距离与入射的中子的波长匹配时，那个中子就散射进入记录散射中子位置（散射角度）和到达时间的多个探测器中。结果是个峰值图，显示各种数量的中子到达多个探测器中每点的不同位置和到达时间。这一图形告诉科学家不同原子在晶体中是如何排列的。以相同原理为基础的仪器可以用来确定玻璃和复杂流体的原子结构，或工业部件中的残余应力。测量非弹性散射的仪器需要测量中子跨越往返样品路线的时间。用这种方法，仪器可以确定重要材料的激发谱和使原子保持在一定位置的力。飞行时间技术使为每个中子脉冲搜集大量数据点成为可能。测量中子时间飞行仪器的效率和产生流强不断提高以加速器为基础的散裂中子源的能力，将来可以不断提供改进的中子源。右图为 从多个探测器在时间和空间上为高温超导体YBa₂Cu₃O₇获得的图像。从此图像中可获得原子的位置。

支持设备

田那西州已经承诺为橡树岭国家实验室和田那西大学建立中子科学联合研究所（JINS）提供800万美元的经费。该设施将是智能中心、SNS外部用户之门和ORNL高通亮同位素反应堆（HFIR）。它将为来自大学和工业部门以及国际界的科学家提供住房。它还将是与田那西大学、其他参与的大学和工业界的合作者扩大中子科学研究与开发的中心。它还将作为外部使用SNS和ORNL设备的接口和通道。

计划将JINS办成中子科学界的智能中心。有了SNS和HFIR，中子科学界将可以使用这两个最先进的脉冲和稳态中子源。团组实验计划和大学教师休假期间的实验计划将吸引世界上研究机构的精英与这里的工作人员和用户密切合作。现代计算、通讯和网络服务将鼓励交叉科学和视频电话会议，为在此工作的学者和他们的国际同事们提供数据获取和分析能力。SNS和JINS将成为中子科学繁荣和发展的所在地。

左图为艺术家概念中的SNS实验室/办公室大楼。该设施包括用户和工作人员办公室，以及实验室空间，突出中子科学联合研究所。

设计技术参数

SNS 场地规划

SNS工程进度

中子散射研究意义何在? 

虽然中子散射研究的成果对多数人不十分明显，但是它们使我们日程生活中使用的产品品种增加，质量得到改进。中子散射研究意义的例子如下所述：

|化学|复杂流体|结晶材料|无序材料|工程|磁性和超导|聚合物|结构生物学|

化学 

中子散射是增加对许多化学"奇迹"产品有关其微结构基本了解的关键。

低脂肪冰激凌具有可接受的味道和特征。磁性润滑剂附在真空中（譬如空间）运转的机械轴承上。工业界在开发出这些“奇迹”产品的先驱物之前，必须具有基本的科学信息，以便开展有效的定向研究，生产出我们当今享用的产品。中子散射曾经提供过关于化学产品所有类型结构方面的独特和基本知识，特别是油-水混合物，像乳剂和乳胶。 左图：中子散射是获得对油脂和乳剂（包括冰激凌）基本了解的关键。

中子被用来研究骨头如何在发展中实现矿化、在骨质疏松中如何腐烂和设计的治疗药物是否奏效。中子散射可帮助确定为什么新开发牙膏中的一种化学添加剂能改进或阻止牙膏在刷牙中的有效性。

建立混合起来给出最需要的特性的原子与分子聚合体是化学研究的目标。把现有的分子结构与其性能联系在一起，常常给出一种假定的可遵循的路子，据此合成一种“设计人员”设计的分子，其性能更好，或具有崭新的能力。为确定现有的和化学上被改变的分子结构，既需要中子散射又需要X射线散射。结构信息已经帮助开发了连接无数原子的巨大分子，譬如像药物、塑料、衣服用的合成纤维、化妆品、油漆、建筑物、车辆和飞机用的新材料、更有效的洗发剂和清洁剂、更好的润滑剂和更健康的食品。右图：在复杂流体流动中不同的棒状、水油混合物指向某些方向概率的数学表示法。

10年后由某些新材料制成的产品将会怎样呢？比如一个薄片的组成部分是会分开还是固定在一起呢？经过一段时间的风吹雨打，它们粘附在一起还是剥落开来？高温时“加速”测试只能破坏多数新的化学材料。中子散射可以确定紧密聚合的不同分子是否选择相互吸引还是相互排斥，使科学家们很快预测一种新的产品或材料组合怎样老化。化学和生化反应取决于反应物分子在恰当的时间找到到达靶里所需要的反应地点—一个大的、团状的运动分子的能力。因为它们按恰当的时空标自然工作，所以中子可以作为理想的“更善良更柔和”的探针，显示大分子和它们内部的亚单元彼此相对之间如何运动和哪种反应物改变可能最奏效。

散裂中子源的高亮度将会提供研究非常小的样品的新机会，像材料太新无法得到其大部分，或生产一个更大的样品需要太长时间和花费太高（例如，在某些情况下，仅为生产一个生化样品的斑点，就要处理几百公升的细菌酿造量）。散裂中子源能够用来研究通过吸附到悬浮在水上的细小自然尘埃颗粒被扩散和稳定的有机污染物。它将提供更为详细的材料结构，使科学家们探索与时间有关的那米结构的演变，例如泡状结构提供更有效的与时间有关的药物释放时的情况。在线处理和溶胶研究将帮助研究人员为合成化学产品制造出更好的催化剂，了解为什么某些添加剂提高润滑剂的作用和寿命，以及设计出更有效的微乳化剂，生产出口味和结构更好、存放期更稳定的低脂肪食品。散裂中子源提供如何改进处理和生产出更好产品方面的知识。左图：中子散射引导着组成衣服用的合成纤维的大分子开发。

复杂流体 

利用高流强中子脉冲了解在分子水平的这些物质可加速开发针对身体特定部位与时间相干的药物输送系统。

洗发剂、油漆、润滑剂和其他常用的复杂流体以及软物质具有显著的特征。唧筒中的洗发剂必须粘稠到足以停留在手里，但又要稀释到易于从唧筒中排出，散布在头发里。油漆必须粘稠到足以沾在刷子上，但又稀释到在墙上能平滑地散开。这些特性的关键是切应力变薄 — 向一个方向加力使厚度变薄（像两手一起搓使肥皂液散开）。利用中子可以看到复杂的分子流体在切应力变薄中如何变化。材料厚时，分子缠结在一起，但是加上一个方向的力以后（例如用油漆刷子），分子就变的有序流动，使得材料变薄。

复杂流体另一个重要的特征是粘弹性，材料像弹簧那样，位移时有反冲的倾向。因为利用中子研究的粘弹性添加剂，所以新油粘住移动的金属部件，而旧的油在启动升温时将会散开，并与它们应该润滑的部件分离。

右图：洗发剂必须粘稠到足以停留在手里，但又要稀释到易于散布在头发里。利用中子可以看到复杂的分子流体在加上一个方向的力以后（例如往头发里散开洗发剂）是如何变化的。

复杂流体如血液，以及软物质如身体细胞易渗透的壁和其他的膜对生命的变化过程是非常重要的。因为这些物质由氢和其他轻的原子组成，所以散裂中子源可用于研究这些物质的小样品。利用高流强中子脉冲了解在分子水平的这些物质可加速开发出针对身体特定部位与时间相干的药物输送系统。这样的药物可能包含在囊中（生物薄膜囊）和多层囊中（囊中囊，像嵌置的俄罗斯玩具娃娃），它们的壁被身体破坏，以便使药物在需要的时间和地点按剂量释放出来。散裂中子源研究可加速开发人造血液 - 模仿人的血液细胞作用的囊，故避免因威胁生命的病毒要筛选血液，紧急中找出合适的血型和说服大批人献血的难题。中子散射图显示肥皂溶液是如何被表面切应力变稀的。摆脱混乱状态的分子结构（左图）排列得足以自由流动（如峰值所示）。

散裂中子源提供的知识应该导致开发微乳胶（一种液体扩散到另一种液体中的微滴）和用于食品加工和化妆品的进展；控制微观流体的流动以便改进润滑剂；开发添加剂，鼓励或阻止混合，以便控制一些加工工艺和利用微量的自组合分子迅速改变混合物的粘度。油漆是用中子可以进行研究的在切应力变薄中（例如将漆刷在墙上）分子结构变化的复杂流体的另一个例子。要将漆涂得好，漆必须粘稠到能粘在刷子上，又稀释到在墙上能平滑地散开。

散裂中子源可帮助研究人员了解弹性材料的结构（例如橡皮筋）是如何与弹性联系在一起的。污染的土壤可用溶液冲洗，不仅冲洗掉污染物，而且还冲洗掉土壤的肥力。改进了的分离技术利用分子薄膜在土壤冲洗过程中仅去掉污染物。散裂中子源可引导制造薄膜，收集废物中有价值的化学制品，以备将来再用。

环氧树脂，另一种类型的胶的粘性，或涂层依赖与结构有关的各种各样的行为。散裂中子源有助于揭开分子结构各自对这样复杂行为的贡献，大大提高对如何生产出最有效的胶和涂料的了解。
散裂中子源可用来观察复杂流体被迫流动或置于压力下（例如润滑剂反复加温和压挤到轴承上时）结构的变化。散裂中子源能使科学家们更好地了解流体结构与流体传输特性的关系，从而改进抽油和回收油。

结晶材料 

散裂中子源使我们了解改变新材料结构和特性的方法，从而使我们做到事半功倍。

从炊具到计算机芯片到处方药，许多日常生活中使用的材料都是由具有特殊特性的晶体组成的。任何材料的特性大多是由原子如何排列而确定的。对结晶材料来说，原子在单个晶体中如何排列和晶体本身如何排列两者都很重要。许多现代改进的材料都有意地改变了原子或晶体的排列。

知道原子在新化合物中如何排列是懂得如何在化学和物理上改变材料以便得到所需要的特性（例如用于一种新的电子学设备）的关键。中子散射是确定原子如何在单个晶体中排列和晶体如何在多晶材料中排列的有力工具。中子散射可以揭示材料受到变化的压力、温度或其他环境变量影响时晶体结构内发生的变化。了解一个过程如何改变一种材料的结构，为如何改进该材料的特性（例如，生产一种加温时不会断裂的新材料）提供重要线索，或决定材料在极端条件下如何工作。左图：可用散裂中子源探查的薄膜将用于非易失性存储器，延长膝上型计算机电池的寿命。

我们对技术上重要材料基本特性的了解，例如催化剂、离子导体、超导体、合金、陶瓷、水泥、磁铁和放射性废物的形成，通过中子散射测量将会继续得到提高。另外，散裂中子源更高的中子通量将会大大扩展材料科学方面可行性研究的范围。可以研究更小的样品，像当代典型电子学器件（例如CD播放机）的多层薄膜结构。这样的多层薄膜结构将用于未来的器件，以改进膝上型计算机、喷墨打印机、录像机和蜂窝式电话网络。

新材料各种尺寸的最小组成部分（例如纳米粒子、纳米纤维和多层薄膜）体积缩小后如何影响材料的物理性能是一个人们日益感兴趣的领域，因为这样的理解为改变物质的特性提供了一个新的途径。中子散射将影响这一领域、相关和新开发的复杂晶体自我组合领域以及生物拟态结构的处理。

散裂中子源每几分钟（或甚至几秒钟）提供一个完整的中子衍射图的能力将能够对在运转化学电池中的许多过程进行时间分辨研究。科学家们可以了解以下物质在分子水平的行为：运转电池或燃料电池中的快速离子导体；变化的温度（或其他变量）对像用于石油和化学工业沸石这样的催化剂，或用于清洗汽车废气金属性催化剂的影响；旋转涡轮叶片升温和变形时，其晶体结构的变化；水泥吸水时，其微粒的变化；以及放在研究地质用的多砧压具里不断升压下稀土材料的变化。右图：知道牙齿和骨的主要组成成分碳酸盐磷灰石的原子排列就可制造出类似的合成材料。

研究这些变化会产生数据。这些数据将有助于模拟地球和其他行星的内部结构，了解大规模的动态过程，像地壳板块运动、地幔对流、火山活动、地震和行星磁场。

未来技术用的高性能材料在化学和结构方面更为复杂，但它们能使我们事半功倍，使环境更加友好，并使更多的科学幻想成为现实。材料科学和结构化学属于前沿，对其研究需要不断加大中子散射的作用。

左图：散裂中子源能使科学家们研究用于蜂窝电话网络中超导微波器件使用的薄的膜片这样的小样品。

无序材料 

在研究蛋白质获取制药、农业和生物技术产业非常感兴趣的信息方面，中子作为X射线的补充。

典型的金属或合金是由被边界分开的晶粒组成，像个嵌镶物。不幸的是，晶粒边界会降低材料的力和可塑性。在寻找更结实更有弹性的材料时，科学家们通过制作出非晶材料消除了晶粒边界。 多数非晶材料是一种新的振奋人心的无序材料，它们具有很大的强度，摩擦力低，耐磨，抗腐蚀并易于成形。因为它们由恰当的成分组合，所以这些材料可以按比正常需要慢得多的冷却率铸造成块以获得非晶状态。 在固化过程中，中子散射可以搜集正在变化的原子结构和动力学的详细情况。该信息被用来建立这些合金的计算机模型以便进一步开发。事实上，这一信息已经引导开发出以铝为基础的合金，用于制造具有提高弹性特性的高尔夫球棒的头，使高尔夫球员将球击得更远。右图：强中子束流将提供有关做出用于臀部移植耐磨和抗腐蚀更好的合金表面的线索。

理想的晶体是由重复的点阵结构形成的。在一个无序的材料里，一些原子靠的很近，一些原子彼此间的距离比原子之间的平均距离要远。优先选择原子间的距离和被各种距离分开的原子或分子部分可从中子散射推断出来。一旦知道无序材料的平均结构，就可利用中子确定它在原子水平对变形或对温度变化的反应。散裂中子源将使科学家们比利用当代中子源更好地了解先进材料，会使科学家们：

· 了解现场生长和界面变得粗糙（例如用于压力传感器和抗辐射计算机存储器器件的薄磁化膜片）； 

· 获得有关仅能少量生产或有低密度缺陷材料的详细情况（例如造成高剂量辐射的铁变硬的晶格缺陷周围的变形）； 

· 开展时间分辨实验，研究像熔化和相变这样的现象（例如一种金属从磁性到非磁性或从可塑到易脆的变化）； 

· 解释复杂多成分系统的结构和特性（例如将熔化危险废物尽量把有毒金属分离出来和生产商业产品的工艺分类）；

· 通过能渗透的或限制性的介质探索液体的漫射（例如通过注入汽从地下沙石引出少量油的最佳工艺）。

上图：用这个发球杆可将高尔夫球击得更远，因为它的头是以铝为基础的非晶合金制作的。其特殊的特点已被中子散射所鉴定。

利用散裂中子源，科学家们可以收集有关通讯光纤、用于小型化马达和发电机的金属玻璃（铁-硼）磁铁和可能用于蓄电池和燃料电池的离子导电玻璃方面更为详细的信息。散裂中子源将用来研究被污染的土壤和其他密封在玻璃里的废材料（经过一段时间被辐射损坏）的长期稳定性。强中子束流有助于研究整体性质和用于医学植入的钴钛合金的表面处理，因为这些合金在生物学上是惰性的，非常耐磨和抗腐蚀。中子散射是研究竞相开发新材料电子工业中使用的非晶半导体结构和分子水平动态（例如硅原子的结合）的重要工具。

右图：中子散射是研究半导体结构和分子运动的重要工具。

工程 

工程师们需要知道一个部件什么时候可能失灵和采用不同的材料和工艺如何影响其性能。

随着技术的进步，中子散射在保护公众安全和环境方面在幕后起到重要作用。中子散射引导了改进，确保火车不脱离轨道，机翼不从飞机上掉落下来和管道不腐蚀到足以漏油。通过测量原子面伸长或收缩多长距离（格点应变），中子可以探测多数材料的剩余应力。在加工过程中可以在一个部件形成的这些应力，可使其破裂、磨损、加速化学腐蚀，甚至被使用中外部给该部件加上的应力所损坏。工程师们想知道什么时候一个部件可能发生损坏，是否使用不同的材料和加工工艺（例如热处理）能够生产出一种寿命更长的部件。中子散射结果和计算机模拟合在一起能够提供这些答案。

为防止造纸厂回收锅炉发生意外故障（锅炉爆炸常常造成工人的伤亡，停工期间，每天使造纸厂损失100万美圆），正在寻找锅炉蒸汽管的替代材料和加工工艺。目标是防止钢管破裂。钢管破裂使水与用于分离造纸用的木纤维热的腐蚀性化学制品相接触。利用中子散射测量由不同方法制造的锅炉蒸汽管中的剩余应力防止它们被腐蚀，研究人员希望找到不昂贵的加工工艺，使产生的剩余应力降到最低程度，增加管子的寿命和拯救人的生命。

右图：中子散射图上标记显示的带有焊接覆盖层钢板上的压缩应变（兰色）和拉伸应变（红色）的极值。不该有的焊接工艺变量造成应变分布的不规则性。

制铝业对建造像钢桥面一样坚固和抗腐蚀的铝桥面饶有兴趣。因为铝桥面比钢桥面轻，所以可以建造价比较低的支撑结构，模块建造铝桥面还易于更换某部分桥面。科学家们已经开发出用中子研究铝桥面铝焊接中的剩余应力。左图：美国宾西法尼亚州的Corbin大桥是第一座桥面换为铝面的大桥（1996年）。这样桥面的铝焊接由中子散射进行表征。

散裂中子源将使工程师们测量更小样品尺寸，或像运土设备这样的大型工程模型中更为精细的结构细节。它能有效地测量不断用于制造切削工具、飞机结构和发动机部件符合材料的剩余应力，因为它们比其他材料都结实和轻。符合材料由金属矩阵组成，金属矩阵中嵌入陶瓷纤维以使其坚固。例如因为铝和硅氮化物在把它们组合在一起的加工过程中膨胀和收缩不同，所以形成剩余微应力。中子用不同方法对样品中微应力的表征有助于确定生产最结实的复合材料的加工工艺。

散裂中子源上的小角度散射比电子显微术更能在图上标出在那米尺度造成材料故障的缺陷。小角度散射能够探测经数年反应堆堆芯中子辐射在反应堆容器里的钢中形成的50个原子簇，或沉积物。被辐照的钢变得易脆，因此更容易破裂。中子可以用来验证对容器的热处理是否能去掉缺陷，使其不容易脆。右图：中子散射已经被用来确定如何最佳生产和焊接用于输油管道的材料，以降低剩余应力和防止输油管道破裂和漏油。

为建造像安全和有效涡轮喷气发动机这样的大工程奇迹，它有助于了解涡轮叶片的金属合金在极端应力下微观水平时是如何变化的。工程师们认为大，但他们工程的成功常常取决于由中子提供的对于小的了解。

磁性和超导 

散裂中子源应该帮助科学家们了解磁性和超导材料是如何起作用的，从而改进电的传输，提高磁铁和电子器件的性能。

有关已知磁性材料中原子行为的多数情况是通过中子散射获得的。中子可以揭示用其他方法不能获得的有关材料的磁性特征的详细情况。这样的信息对于创造高密度记录介质，如录音带、录像带、CD和计算机盘至关重要。 中子散射帮助科学家们确定不同重要材料中"磁性"原子的位置和相互作用。因为中子具有磁矩并像小的磁铁那样起作用，因此它们被与引起材料磁性的未配对电子发生的相互作用散射。研究人员的一个主要目标曾经是开发更小、更轻，但单位体积磁力更强的永久磁铁。中子散射实验可确定高性能磁性材料的原子结构。这一信息引导工业部门挑选磁铁的最佳材料和加工工艺。由于开展这样的研究，我们就能利用永久磁铁制造小的马达，使得我们可以自动调节座位，打开汽车窗户。紧凑型重量轻的磁铁还可提高车辆的燃料效率。未来的超导磁铁悬浮列车会比法国的TGV（左图所示）更快。

散裂中子源将在方便的能量范围内提供研究磁性材料激励的中子，提供电子成带状的金属固体的磁性相互作用力和磁性方面的详细情况。这些材料的磁性激励常常在高能量时产生，特别适于散裂中子源的研究。散裂中子源将非常有助于分析先进的低维材料，包括带"单行行进磁性原子"的一维晶体和每层有几个原子厚的二维层叠薄膜结构。其他研究的对象包括显示巨大磁阻效应的材料（外部磁场调整磁化强度时，电阻抗大量降低）。更好地了解这些材料将会导致制造出更漂亮的传感器和抗辐射计算机数据存储设备。右图：极化中子衍射图显示锶钌酸盐单晶体中磁化电子的密度。中子揭示新的磁性和超导材料。

中子散射对于研究1986年以来发现的高温超导材料非常重要。一种非同寻常的有趣的磁性材料是镱钡铜氧化物（YBa₂Cu₃O₇，或 YBCO）。如果它的晶粒排列成一条直线，它被激冷到液氮温度，YBCO和其他类似的超导体便会在磁场中带有大量电流，没有能量损耗。中子散射正被用来研究磁场是如何在像YBCO 这样的超导体中起作用的。中子散射可以直接对这些领域进行研究，提供没有其他方法可以获得的信息，该信息对确定超导材料带电流的能力很重要。 

更高流强的散裂中子源应提供足够的中子，使科学家们约束在材料的超导能力中磁性的详细作用。这一信息可帮助科学家们解释高温超导体如何工作，它们怎么能够在相对高温时保持其超导性。懂得了这一点，就能生产出更好的高温时带有更大电流的超导材料，使改进高功率传输线和高磁场磁铁的性能成为可能。散裂中子源应帮助科学家们更好地了解磁性和超导材料如何工作和如何最佳地将它们组合在一起。这种基本的信息可以运用到设计更快的电子学设备上。

左图：中子散射看到的一种高温超导体的自旋量子域态模型和电荷图形。带颜色的框是自旋（红的在上，蓝的在下 - 大小代表有序矩的振幅）。瓦楞形的绿色代表电荷调制度。

聚合物 

小角度散射已经提供引人注意的证据，支持诺贝尔奖获得者关于聚合物链行为的预言。

二十世纪四十年代，工业化学家们开始合成被称为聚合物的大分子，制造结实的轻的被称为塑料的材料。过去50年中，他们取得一系列的成功：

·　 用于汽车和飞机（例如波音757喷汽式飞机）的更结实更轻的材料；

·　 保护警官的防弹背心；

·　 纺织品用的合成纤维；

·　 人们熟悉的只有在缺口处才能撕开的航空花生米袋。

美国聚合物年消费量超过700亿磅，所以这些材料是科学和商业上感兴趣的课题。

聚合物是由长的链式分子组成的，这种分子可为大的强度定向。链是通过将许多由氢、碳、氧和和氟这样的原子组成的比较小的分子组合在一起而形成的。中子具有研究聚合物独一无二的特性，像能使分子“着色”，并通过同位素标示使它们被看到。过去20年中，这一技术使我们对分子结构有了基本了解。比如，小角度散射已经提供了令人注目的证据，支持诺贝尔奖获得者Paul Flory 50年前关于聚合物链在固态中采取随机组合的预言。右图：利用改变压力增加二氧化碳密度时聚成胶束（上部）称为表面活化剂像去污剂的分子，将小分子（红色）悬浮在超临界二氧化碳（兰色）中的无污染方法形成聚合物。

当化学工业生产含氟聚合物制造锅碗瓢盆（特氟隆）和防止地毯沾污时，一个讨厌的副产品是环境污染。正在从事开发生产塑料更干净方法的研究，旨在开发出环境上比较好的工艺。这些工艺不使用破坏臭氧的氯氟碳，和大大降低被污染的水量和产生的有毒的废物。这些工艺采用超临界二氧化碳（CO2）。超临界二氧化碳已被用作非毒性溶剂（例如去掉咖啡豆中的咖啡因），并随时可以作为可回收的“废气”，回收中没有纯二氧化碳释放到大气里。但是，因为许多聚合物不溶解于二氧化碳，所以橡树岭国家实验室和北卡罗来纳大学采用小角度散射来确定什么使一些聚合物溶解，如何开发出完全像帮助油溶解在水中那样使不溶解的二氧化碳物质悬浮在溶液中的乳化剂（去污剂）。小角度散射已经提供了这样的详细信息，即如何可将溶剂的压力进行调节，使二氧化碳不溶解的物质溶解，或在加工过程中适当的点使它们从溶液中脱落出来，从而控制独特的聚合化、引出和清洗应用中的溶解度。左图：中子散射将帮助科学家们确定最佳的聚合物混合以便生产出高质量的塑料产品。

因为新的聚合物在实现商品化方面的困难，工业部门越来越多地转向把现有的聚合物融合在一起以优化混合物的使用特性。这样的材料约占聚合物市场的四分之一；这部分正以相当于工业塑料两倍的速度增长。小角度散射是研究这样混合物的重要技术。利用散裂中子源，在几秒而不是几分钟或几小时就可进行这样的实验。用这种方法，研究人员可以很快地确定聚合物混合的怎样，聚合物磨碎和压缩多长时间，什么温度应该将它们融合在一起，以便获得最佳混合以及什么混合物能形成最佳产品。例如，如果有兴趣回收塑料，散裂中子源可帮助科学家们了解哪些聚合物能够熔化和混合形成有用的聚合物混合物。目前，不到10%的聚合物被回收，所以确定不同成分的兼容程度可帮助设计再处理战略和评估合成材料的实用性。

右图：波音757飞机是由重量轻的塑料制造的。中子研究可导致生产出更安全、更快和能效更高的飞机。

结构生物学 

在研究蛋白质中中子给X射线起补充作用。制药业、农业和生物技术产业对研究蛋白质获得的信息非常感兴趣。

了解蛋白质如何工作是打开生命秘密的钥匙。作为酶，蛋白质促使活的细胞进行化学反应。作为荷尔蒙，它们调节身体的发育和指导器官的活动。蛋白质保护我们不受感染，但它们以突变株体形式或作为病毒的外层，它们导致疾病的发生，像癌症和爱滋病。使蛋白质具有多种和特定功能的关键是每种类型的分子所取的复杂形状（从椭球形到碟形到哑铃形）。

蛋白质是一串氨基酸，其序列由指导它合成的基因最后决定的。人类基因组排序工程将为在大约100，000酶、荷尔蒙和人的生命结构蛋白质编码的基因中化学碱基顺序提供完整的DNA蓝图。该工程下个阶段是识别和研究大分子，确定它们的形成和功能。衰老和癌症部分原因是由于涉及调节人的遗传图形表达式的DNA 和蛋白质功能异常引起的。知道了这些大分子的单个结构，可以帮助了解疾病在分子水平的化学性质和遗传调节的化学机制。左图：DNA的组成部分指导蛋白质的合成，其形状和结构由散裂中子源的中子散射决定。

中子精确确定氢（或氘）原子以及大分子结构中的碳、氧、氮和磷原子可能对制药工业重要。

为设计阻止蛋白质作用引起紊乱的药物，重要的是知道那种蛋白质的结构。更高流强束流中的中子将提供信息，补充X射线获得的关于近乎微观蛋白质晶体方面的信息。实验表明这样的晶体在轨道空间站可以生长到大于1立方毫米，形成足够数量的分子单元，供进行有意义的中子分析。中子还作为对X射线研究溶液中蛋白质的补充，制药业、农业和生物技术产业可能对此非常感兴趣。

散裂中子源有助于研究蛋白质折叠 — 一串氨基酸重复折叠形成蛋白质功能性的三维形状的过程。一种折叠影响功能的方法是将分离很远的氨基酸集合起来形成活性区 — 发生与生化物质组合的酶催化区。只有中子可以让科学家们“看到”活性区的临界氢原子。

散裂中子源有助于研究酶的活性机制（例如酶促过程如何改变基质，或药物如何中断酶的功能）。通过研究结合在酶上的氘化基质，散裂中子源可以帮助科学家们确定酶活性区的位置和潜在药物结合在那区的可能性,中断不需要的酶的活性。

右图：利用中子散射确定主分酶的结构有助于开发更有效的治疗药物。

如果蛋白质折叠问题能够解决，基因序列就能够直接转换成三维结构。但是，必须产生非同寻常量的中子和X 射线数据，帮助开发和验证计算机算法，预测蛋白质折叠。同时，几乎每个有兴趣的蛋白质结构都需要分开进行分析，延长了确定生物学感兴趣的大分子的形状和作用。中子散射探测氢原子的能力如左侧的水合一氧化碳肌球素图所示。蛋白质棒形模型上填充空间的点画结构是水合水分子。

高能所科研处制作 内容由侯儒成译自ORNL网