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,其建成后进入了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。CSNS填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白,将为诸多领域的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究平台,例如物质科学、生命科学、资源环境、新能源等。它的投入运行,对我国探索前沿科学问题、攻克产业关键核心技术、解决“卡脖子”问题具有重要意义。
CSNS通过自主创新和集成创新,在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技术成果,显著提升了我国在磁铁、电源、探测器及电子学等领域相关产业的技术水平和自主创新能力,使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了重大跨越。例如,国内首次研制成功25赫兹交流谐振励磁的大型二极和四极磁铁及电源,交流磁场精度达到同类装置国际领先水平。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。
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。
CSNS将主要面向国内用户。随着中子散射技术的发展,国内用户对于CSNS的需求将会越来越大。如反映中子散射发展历史的扇形图(下图)所示,每经过十年,中子散射的应用领域就会增加几倍。ISIS在80年代中期建成时,每年用户只有300个,现在已经达到每年1500个用户。对国内用户而言,国外已经运行的散裂中子源只能起到培养用户的作用,而不可能在其上完成大量的课题。
除了利用中子散射技术开展多学科的研究和应用外,散裂中子源装置上的主要部分——高功率质子加速器所提供的质子束也可以直接用于很多研究领域,如空间辐射效应研究、核物理研究、质子照相、质子治疗和探测器测试等等。另外,利用质子束所产生的衍生次级束中除了用于中子散射技术的慢中子以外还有快中子束和μ子束,也有较大的应用价值。散裂中子源装置也会在以后的发展中充分发挥一机多用的功能,为中国广大的科研人员提供多个研究平台。很多质子束/快中子束/μ原子束的应用都不显著影响基于中子散射平台的正常运行,而是作为寄生模式开展的,且新增加的这些研究平台只需要较少的经费投入。