文/胡月
自1932年中子被發現以來，能產生高通量中子的中子源一直是科學家不斷努力追求的目標。中子具備不帶電、穿透力強、可鑑別同位素、較之X射線對輕元素靈敏、具有磁矩等優點，因此中子散射技術作為一種獨特的、從原子和分子尺度上研究物質結構和動態特性的表徵手段，在多學科交叉領域發揮著不可替代的作用。
1998年，美國在橡樹嶺國家實驗室開始建造散裂中子源。彼時的中國國力尚還落後，建起自己的散裂中子源似乎望塵莫及。意想不到的是，僅僅兩年後，這件事就被提上了議程。2018年，中國散裂中子源完成驗收並正式投入執行，我國自此成為全世界第四個擁有脈衝式散裂中子源的國家。在眾多材料科學領域的科研人員的努力下，它的建成填補了我國脈衝中子源領域的空白，對滿足國家重大戰略需求、解決前沿科學問題、解決瓶頸問題具有重要意義。
材料科學和技術研究的利器
1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，傷亡慘重。經過調查發現，事故的元兇竟然是老化的車輪。但車輪內部我們看不見，也摸不著，何以判斷？具有強穿透力的中子可以解決這一難題。中子大科學裝置也被科技界稱為“探究微觀世界的‘火眼金睛’、科研利器和超級顯微鏡”。正如X射線技術透過拍攝人體內部影像來幫助診斷病情一樣，中子以其自身的特點在結構、成像等分析中發揮著獨特的作用。中子為電中性，具有強穿透力和非破壞性，從而可以探測物質的內力場資訊（如殘餘應力），也利於在複雜和整合的特殊樣品環境下進行實驗研究；中子與原子核的作用並不隨原子序數的增加而有規律地增大，從而可以透過中子散射或成像技術更好地分辨輕元素，或者相鄰的元素；中子具有內稟的自旋使之可以準確地揭示其他手段難以給出的微觀磁結構資訊。現已建立的有關低能熱中子的理論，為開展多學科理論預測、實驗驗證並完善理論提供了有效的途徑。
產生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的“核反應堆”，利用鈾235透過核裂變反應產生中子。為了更安全有效地生產中子，科學家設計散裂中子源。其原理是把質子加速到一定的能量，當成“子彈”，把中子從原子係數很高的重金屬靶中轟擊出來。 ﻪ科學家透過特殊的裝置將中子引導到需要研究樣品處，開展各種實驗。散裂中子源的好處在於，加速質子使用的是高壓電場，只要切斷電源，質子就會立即停止轟擊金屬靶，不會有放射性汙染且可控，因此是最安全的產生中子的方式。
中子散射技術不僅可探索物質靜態的微觀結構，還可用於研究結構變化過程的動力學機制。因此，中子散射已在物理、化學、材料、工程等研究領域發揮著同步輻射X射線等方法無法取代的作用，成為物質科學研究和新材料研發的重要手段。
“科學有時會因其所需要和使用的科學裝置的大小，被分為大科學和小科學。但科學問題卻不論大小，都同樣重要。中子散射是利用大科學裝置來解決‘小科學’問題。”提及研究中子的意義，松山湖材料實驗室首席科學家、中國科學院物理研究所傑出研究員趙金奎如是說道。中子散射是一種能揭示材料內部“是什麼樣的，又是如何工作的”這兩個終極問題的有力手段，它也因此成為材料領域的諸多科學家致力攻克的難題。
因地制宜,服務中國科技發展需求
2018年，中國散裂中子源完成驗收並正式投入執行。同年，毗鄰散裂源的松山湖材料實驗室開始成立。趙金奎作為中子散射和中子散射材料研究方面的專家，加入了實驗室的建設。 ﻪ實驗室立足於建設成為有國際影響力的新材料研發南方基地、國家物質科學研究的重要組成部分、粵港澳交叉開放的新視窗。為此，實驗室佈局了公共技術平臺和大科學裝置、前沿科學研究、創新樣板工廠、粵港澳交叉科學中心四大核心板塊。
科學家透過中子譜儀來利用散裂中子源產生的中子進行研究。 ﻪ中國散裂中子源的小角中子散射譜儀，借鑑了趙金奎此前在美國散裂源上研發的同類技術。這項先進的飛行時間小角中子散射譜儀融入了多項他首創的世界尖端中子技術，包括飛行時間框架跳越，譜儀與中子慢化器最佳化匹配，真正彎曲的多通道中子導管，大面積高壓氦同位素探測器管陣，先進的多用途斬波器及先進的資料處理等。同時，趙金奎也一致關心中國散裂中子源和中子散射譜儀的發展和完善。當他對中國散裂中子源的譜儀佈局進行研究後，發現散裂中子源原有的20條中子束線中有3條可以分叉，在同一條中子束線上建造兩臺以上的譜儀。他把這一建議做了初步物理設計並交給了散裂中子源進行下一步推動。這樣的束線分叉可以把作為國家重大資源的散裂中子源的利用率提高15%以上。
“中子很難獲取，需要大量的資金投入來建設龐大的儀器裝置。”據趙金奎介紹，中國散裂中子源建成後，成為發展中國家擁有的第一臺散裂中子源，和正在執行的美國、日本與英國散裂中子源一起，構成世界四大脈衝散裂中子源。但與美國的散裂中子源相比，中國散裂中子源無論是資金投入還是設計功率都還不足，這是基於我國當時科學技術發展的國情和實際需要。但中國的散裂中子源也有其特點：它在構型和重複頻率上採用了獨特最佳化的設計，能夠滿足當時我國大部分科研的需求。隨著時代的進步和我國科技發展的需求，我國必將會對中子資源有更多的投入。 ﻪ“因地制宜，走出特色”，中國散裂中子源獨有的魅力大抵如此。
“由於中國散裂中子源是一箇中小通量的中子源，在中子通量和強度上無法和美國、日本及歐洲的大功率散裂中子源正面相比。因此，發展先進的中子散射技術和方法，建立自己的特長，是增加中國散裂中子源在世界上的競爭力，達到和保持先進水平的最好保障。”趙金奎帶領的團隊一直在開發和探索新的中子散射、中子探測等方法和技術。雖然中國散裂中子源在功率、通量方面都還有很大的提升空間，利用先進的中子技術，有效地提高中子利用率，能夠讓散裂中子源更好地為我國科技發展服務。
躋身世界散裂中子研究的前沿
前路漫漫，科學家們對中子散射技術的創新之路從未廢止。多年來，趙金奎建立了多種創新型的中子散射技術和譜儀概念，包括全新的中子自旋迴波共振技術、逆反幾何型布里淵非彈性中子散射儀、相位分辨中子干涉儀全息中子成像、邁斯納超導遮蔽下的中子自旋迴波小角散射等。其中，全新的中子自旋迴波共振技術比現有的中子自旋迴波共振技術更加抗干擾且可有更高的解析度。趙金奎和團隊從理論上攻破了拉莫爾進動和無線電波共振兩種方法各有所長，但又各有缺陷、很難將兩者結合的難題，成功建造出相關實驗譜儀，為非彈性中子自旋迴波共振開創了一個全新的科技領域。
中子慢化器的設計，尤其是它與譜儀的匹配，一直是國際上散裂中子源設計的一個重要問題。在包括美國散裂中子源在內的多數大型散裂中子源設施中，慢化器與譜儀的匹配都有待大幅度提高。趙金奎在相關方面進行了深入的研究並得出了一套慢化器和譜儀匹配的理論。與此同時，他第一次系統地分析了長、短脈衝散裂中子源對不同中子散射方法的優缺點。相關成果可以大幅度增加中子散射譜儀的功能，提高散裂中子源的整體水平，也為未來散裂中子源的計劃和設計起到了引導作用。
在大型科學計算，尤其在並行蒙特卡羅計算方面，趙金奎也有諸多創新成就。他撰寫及發表了多個大型科學軟體，涉及中子譜儀的設計、中子散射的資料處理及大分子模型的計算等。其成果將對散裂中子的應用起到直接的推動作用。
中子研究人才梯隊建設卓有成效
中國散裂中子源的建設就像是一把利器，為我國在前沿材料科技研究和解決眾多“卡脖子”問題開闢了新的途徑。而松山湖材料實驗室的建立，緊鄰和依託中國散裂中子源，正合天時、地利，也創造了人和，人才是科學和技術發展的關鍵。
實驗室重視人才培養，短短几年時間，僅中子團隊就從海外聘請了近10位資深和中青年國際中子散射專家，多人有20年以上的工作經驗，多人入選國家高層次人才引進專案。另外，團隊還著力於引進和培養年輕有為的青年科學家，整個團隊還在不斷擴大，結構趨於合理。如今，團隊已經形成了中子量子材料研究、中子結構材料研究、中子軟物質材料研究、中子能源材料研究、中子技術研發等主要前沿研究方向。隨著人才的引進和團隊的擴大，團隊還將繼續擴充套件和細化研究領域和方向。
放眼如今的中華，中子散射之千秋偉業方興未艾，人類對微觀世界的探索未曾停歇。讓我們順應科技發展的時代趨勢，既要堅持高水平科技自立自強、深入實施創新驅動發展戰略，也要深化中子研究合作，為探索材料科學支撐構建新格局。