|基本情況|大事記|回旋加速器|脈沖中子源|散裂中子源|實驗設(shè)施|生物醫(yī)學(xué)|60年成就|納米中心|

|引言|中子|散裂|SNS簡介|中子散射研究意義|

引 言

世界上多數(shù)的中子源是幾十年前建造的，雖然數(shù)年來對中子的使用和需求增加，但只建造了少數(shù)幾臺新的中子源。美國能源部科學(xué)局現(xiàn)已撥款在ORNL建造一臺新的以加速器為基礎(chǔ)的中子源-散裂中子源（Spallation Neutron Source，簡稱SNS）（右圖），為科學(xué)研究和工業(yè)開發(fā)提供世界上最強(qiáng)的脈沖中子束流。

由于高技術(shù)界提出要求，所以需要有在苛刻條件下更結(jié)實、更輕和更便宜但性能好的新材料。像X射線和中子源這樣的主要研究設(shè)施被更多地用來了解和“監(jiān)造”原子水平的材料。這樣的材料大大改進(jìn)了性質(zhì)，提供更好的性能和新的應(yīng)用。下面是幾個例子。

電子器件需要更小、更快的元件。為提高速度降低燃油消耗，商業(yè)和軍用飛機(jī)以及宇宙探測器需要新的更輕的合金和更結(jié)實的焊接。汽車使用更多的高溫材料、重量輕的合金和塑料，使燃料效率更高和減少污染。計算機(jī)使用磁性材料，需要不斷提高存儲能力。新的高溫超導(dǎo)材料可生產(chǎn)出效率更高的馬達(dá)，使電力傳輸效率更高。設(shè)計藥品和基因工程使醫(yī)藥和保健革命化。中子散射研究在更多領(lǐng)域起著重要作用。

用來自一套大加速器整個裝置的高能質(zhì)子打水銀靶，SNS裝置中產(chǎn)生強(qiáng)大中子束流。質(zhì)子將在稱為散裂的反應(yīng)過程中激勵水銀，釋放出中子，這些中子形成束流，引向中子儀器。 利用這些復(fù)雜的儀器，（SNS全面運(yùn)行時，將有多達(dá)50 臺這樣的儀器。）科學(xué)家和工程師們將探討一系列新穎材料最本質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

為設(shè)計和建造SNS，能源部所屬6個國家實驗室（LBNL、LANL、ANL、ORNL和BNL）建立了伙伴關(guān)系（右圖）。這樣大規(guī)模的伙伴關(guān)系是建造能源部主要裝置的一種新思路，是未來的一個樣板。SNS建在橡樹嶺國家實驗室，它負(fù)責(zé)管理這一伙伴關(guān)系，最后負(fù)責(zé)SNS的運(yùn)行，其他成員參與這一項目的實驗室負(fù)責(zé)設(shè)計、建造和自己負(fù)責(zé)的部件的安裝。這種伙伴關(guān)系可供采用最佳的技術(shù)訣竅和現(xiàn)有的最新技術(shù)，在設(shè)計和建造過程中最有效利用能源部實驗室的人力和各種資源。

SNS計劃于2006年竣工。像能源部其他實驗室一樣，SNS將作為一個用戶裝置對來自美國和外國大學(xué)、工業(yè)界和國家實驗室的科學(xué)家和工程師開放。用戶已經(jīng)確定了SNS的性能參數(shù)，并設(shè)計和使用自己的儀器。設(shè)計SNS時曾考慮了未來，在數(shù)年內(nèi)，它都是主要的中子研究裝置。

什么是中子? 

中子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。這個1932年發(fā)現(xiàn)的不帶電粒子與帶正電的質(zhì)子存在于典型原子的原子核中，質(zhì)子和中子具有相同的質(zhì)量，兩個均可作為遠(yuǎn)離原子核的自由粒子存在。宇宙中，中子是大量的，構(gòu)成一半以上的所有可見物質(zhì)。但對于研究物理和生物材料來說，缺乏亮度正好的中子。正像我們喜歡用亮燈而不是暗燈看書中密的印刷字體那樣，研究人員更喜歡亮度更高的中子源。這種中子源能快速給出詳細(xì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)圖和分子的連續(xù)運(yùn)動圖。SNS將提供這些亮度更高的中子。SNS像個頻閃燈光提供物體的高速照明，每17毫秒產(chǎn)生中子脈沖。其產(chǎn)生的中子數(shù)是現(xiàn)有功率最大脈沖中子源產(chǎn)生中子的10多倍。就像用公園里的軟管沖洗石頭噴射出來的水一樣，從束流來的中子以揭示其結(jié)構(gòu)和特性的方式從靶材料“散射”。左圖為含有鋅離子的兩個胰島素分子模型。為進(jìn)行中子衍射研究，胰島素分子要晶體化。在其晶體化過程中，胰島素分子吸附鋅離子（球）。中子衍射研究揭示了胰島素結(jié)構(gòu)。

中子有哪些特性？

因為中子對氫原子獨(dú)特的敏感性，所以它們能夠?qū)?原子進(jìn)行精確地定位，能夠更準(zhǔn)確地確定分子結(jié)構(gòu)，這對設(shè)計新藥很重要。因為大的生物分子有無數(shù)氫原子，所以要看生物大分子部分的最佳辦法是通過同位素替換，即用重氫（氘）原子替換氫。氘原子和氫原子散射中子不同。故采用一種稱為對比變量的技術(shù)，科學(xué)家們可以集中研究不同類型的分子，像核酸，或染色體中的蛋白質(zhì)以及大分子中每個成分與吸附無關(guān)的結(jié)構(gòu) 信息。從氫在水中衍射出來的中子可以確定戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼中存在少量水分的位置 - 微觀破裂和早期腐蝕的跡象，精確定位機(jī)翼應(yīng)該更換的部位。除氫外，中子可精確確定重原子中其他較輕原的位置。中子的這種能力使科學(xué)家們確定一種有希望的高溫超導(dǎo)陶瓷鐿鋇銅氧化物中輕的氫原子的關(guān)鍵位置。將來的某一天，線可用來提高電機(jī)、發(fā)動機(jī)、傳輸線、變壓器和有磁鐵的設(shè)備，如用于研究的加速器、醫(yī)療診斷機(jī)器和高速磁懸浮列車的能效。

右圖為在阿貢國家實驗室強(qiáng)脈沖中子源上開展的中子散射研究為一個樣品產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。該樣品顯示肽（圓柱體）將自己插入它們在細(xì)胞膜中形成的孔中。

左圖為鐿鋇銅氧化物的原子模型。鐿鋇銅氧化物是一種超導(dǎo)陶瓷，它的氧位置是有中子散射確定的。
中子像一個指南針針指向的小條形磁鐵；磁化的大小和方向稱為磁矩?？尚纬纱啪刂赶蛲环较虻?極化中子"束流。這樣的束流能使科學(xué)家們研究磁性材料的特性（像信用卡和CD盤）并測量磁場穿透中和由超導(dǎo)體產(chǎn)生的波動。
因為熱中子的能量幾乎與運(yùn)動中的原子的能量匹配，所以中子可用來追蹤分子的震蕩、催化反應(yīng)中的原子運(yùn)動和受外力物質(zhì)行為的改變，像溫度、壓力或場強(qiáng)的升高。用這一方法，研究人員就可看到原子連續(xù)運(yùn)動的情況。

利用中子散射?？茖W(xué)家們可以了解從液態(tài)晶體到超導(dǎo)陶瓷，從蛋白質(zhì)到塑料，以及從金屬到膠粒物質(zhì)特性的詳細(xì)情況。為什么中子散射對研究人員有用？中子散射是有關(guān)固體位置、運(yùn)動和特性的信息源。中子束流瞄準(zhǔn)樣品時，許多中子穿過這一材料。但有些中子將直接與原子核發(fā)生相互作用，按一個角度彈回，就像游戲中的碰撞的球一樣。這種行為稱為中子衍射，或中子散射。

利用探測器，科學(xué)家們可以計算散射的中子，測量能量和散射的角度，以及標(biāo)出它們的位置（以各種強(qiáng)度的點(diǎn)衍射圖顯示）。用這種方法，科學(xué)家們可以了解從液態(tài)晶體到超導(dǎo)陶瓷，從蛋白質(zhì)到塑料，從金屬到膠粒到金屬玻璃磁鐵材料性質(zhì)的詳細(xì)情況。中子散射對科學(xué)界的重要性，從1994年諾貝爾物理獎授予Clifford Shull（右圖）和Bertram Brockhouse 得到承認(rèn)。前者首先在ORNL利用中子散射破譯材料結(jié)構(gòu)，后者則在其加拿大的實驗室利用中子散射了解材料中有關(guān)原子的運(yùn)動。

中子散射是如何影響人類的生活? 

雖然中子散射的研究成果對多數(shù)人不明顯，但是這些成果改進(jìn)了我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拇罅慨a(chǎn)品極其質(zhì)量。例如：噴嘴、信用卡、袖珍計算機(jī)、光盤、計算機(jī)盤和磁帶、農(nóng)用沙蟲劑、防碎擋風(fēng)玻璃、可調(diào)坐椅和車中自動窗戶開啟器、油儲藏地質(zhì)圖、衛(wèi)星天氣預(yù)報信息。中子也是研究人員用來研究改進(jìn)用于高溫超體、大型輕重量磁鐵、鋁橋面和更強(qiáng)更輕塑料產(chǎn)品材料的主要工具。

(a) 中子被用來研究骨頭在發(fā)展中如何礦化和它們在骨質(zhì)疏松過程中如何腐爛。這樣就使我們設(shè)計和測試治療使礦物質(zhì)減少的疾病的藥物成為可能。

(b) 住院的人中，三個人中有一人（每年約一億人）得益于中子產(chǎn)生的同位素。

(c) 中子幫助我們開發(fā)許多產(chǎn)品如光盤使用塑料的改進(jìn)聚合物。

中子散射被許多學(xué)科用來研究材料中原子的排列、運(yùn)動和相互作用。中子散射之所以重要，原因是它提供用其他技術(shù)常常不能獲得的有價值的信息，比如光譜學(xué)、電子顯微學(xué)和X衍射。科學(xué)家們需要所有這些技術(shù)，以便提供最大量的有關(guān)材料方面的信息。

上圖顯示出反應(yīng)堆和脈沖中子源性能的演變。近年來，加速器技術(shù)的迅速改進(jìn)使設(shè)計和建造非常強(qiáng)的中子脈沖源成為可能。

雖然美國首先開發(fā)和使用早期的中子源，但是歐洲人和日本人卻利用這一早期的技術(shù)，開發(fā)出近15-20年世界上最佳的新的中子源。然而，即使這些中子源也相當(dāng)陳舊了。因為SNS將是世界上最先進(jìn)和功率最大的脈沖中子源，所以它提供其他地方?jīng)]有的研究機(jī)遇。這一獨(dú)特的裝置將吸引全球許多學(xué)科的科學(xué)家和研究人員。在ORNL散裂中子源上的研究將超越基本研究和開發(fā)，導(dǎo)致技術(shù)和工業(yè)的突破，最終不僅造福于美國科學(xué)界，而且造福于美國的實業(yè)和工業(yè)界。

什么是散裂? 

當(dāng)快速粒子如高能質(zhì)子轟擊重原子核時，一些中子被"剝離"，或被轟擊出來，在核反應(yīng)中被稱為散裂。被轟擊的原子核升溫時，其他的中子"蒸發(fā)"。對每個轟擊原子核的質(zhì)子來說，都有20-30個中子被轟擊出來。（右圖）

散裂中子源如何工作?

帶負(fù)電的氫離子由離子源產(chǎn)生。每個離子有一個質(zhì)子和在軌道里運(yùn)行的兩個電子組成。離子被注入直線加速器加速到很高的能量。離子通過金屬箔，剝離每個離子的兩個電子，將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)子。質(zhì)子通過一個環(huán)，累積成束團(tuán)。每個質(zhì)子束團(tuán)作為一個脈沖從環(huán)中釋放出來。高能質(zhì)子脈沖打擊重金屬靶，該靶是個液體水銀容器。散裂過程釋放的相應(yīng)中子脈沖在減速劑中減速，通過光束線引到有專門儀器如中子探測器的區(qū)域。一旦到達(dá)這樣的區(qū)域，不同能量的中子就可用于各種類型的實驗。

左圖為利用中子散射數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)模擬方法預(yù)言的Ca-A沸石結(jié)構(gòu) (鈣離子是蘭色，硅是紅色，鋁是紫色，氧是綠色)。因為鈣離子與氮和氧的親和力不同，所以沸石增強(qiáng)了它們的分離。

SNS的建造

中子科學(xué)界很早就認(rèn)識到需要有以反應(yīng)堆為基礎(chǔ)（穩(wěn)態(tài)或連續(xù)）和以加速器為基礎(chǔ)（脈沖）的中子源。對許多有趣的研究問題來說，有一系列脈沖的中子和有連續(xù)的中子源一樣好，或前者比后者好。脈沖中子源產(chǎn)生的中子的流強(qiáng)高于連續(xù)中子源產(chǎn)生的中子的流強(qiáng)。近年來，加速器技術(shù)有了很大改進(jìn)，使設(shè)計和建造一種新的產(chǎn)生中子脈沖的中子源成為可能。SNS產(chǎn)生的脈沖，每個中子的流強(qiáng)比從最佳連續(xù)中子源獲得的高50-100倍。以加速器為基礎(chǔ)的中子源產(chǎn)生的強(qiáng)、短脈沖束流可以對散射中子進(jìn)行飛行時間分析，研究廣泛的科學(xué)問題和進(jìn)行實時分析。從環(huán)境上來說，以加速器為基礎(chǔ)的中子源比反應(yīng)堆更易于被接受，而且將來在改進(jìn)中子的峰值流強(qiáng)方面展現(xiàn)出更大的希望。

上圖顯示：中子運(yùn)行過一條固定的線路后按能量分開(L)，使得許多不同能量和波長的中子用于實驗。

每個脈沖都有各種波長和能量的中子；最高能量的中子波長最短，對低能量的中子波長最長。因為熱中子運(yùn)行緩慢，所以在短距離內(nèi)可以對它們的進(jìn)展精確地定時。每個脈沖里都包括所有能量的中子，所以通過讓它們向前走幾米的短路，就能將不同能量的中子分開。高能中子在中能中子之前到達(dá)樣品，最低能量的中子到達(dá)樣品的時間用的最長。因為中子的能量按時間分布，所以單個中子的能量容易由飛行到樣品的時間來加以確定。因為所有能量的熱中子可用于散射實驗，所以飛行時間技術(shù)能夠為到達(dá)樣品的每個源脈沖收集許多數(shù)據(jù)點(diǎn)。另外不像連續(xù)中子源通常的情況那樣，在實驗中不需要中子探測器移動，從而易于在樣品周圍放置大型探測器陣列或多個探測器。

1996年，美國科學(xué)界基于中子源的優(yōu)良性能向能源部推薦建造下一代散裂中子源。從此，便舉辦了一系列的座談會和討論會，讓用戶提出對散裂中子源的性能要求，并選擇要建造的儀器，作為工程的一部分。

能源部所屬6個國家實驗室合伙建造的SNS，于1997年5月完成概念設(shè)計報告，1999年7月，由獨(dú)立的技術(shù)專家對技術(shù)指標(biāo)、造價和進(jìn)度基線進(jìn)行了評審并予以批準(zhǔn)。這個基線設(shè)計包括了用戶、伙伴實驗室和外面技術(shù)專家的建議和意見。1999年6月，正式批準(zhǔn)將ORNL作為SNS的建造地，1999年12月15日破土動工。

從環(huán)境上來說，以加速器為基礎(chǔ)的中子源比反應(yīng)堆更易于被接受，而且將來在改進(jìn)中子的峰值流強(qiáng)方面展現(xiàn)出更大的希望。SNS 每年將吸引來自美國和其他國家大學(xué)、工業(yè)部門和實驗室1000到2000名科學(xué)家。中子散射研究的各種應(yīng)用，將為在美國國民經(jīng)濟(jì)實際上做出重大貢獻(xiàn)的每個科技領(lǐng)域里的專家們提供機(jī)遇。右圖顯示SNS的用戶將來自全世界。

散裂中子源（SNS）簡介 

SNS的伙伴關(guān)系

SNS是個合作項目，美國能源部所屬6個實驗室（阿貢國家實驗室、布魯克海文國家實驗室、托馬斯杰斐遜國家實驗室、勞倫斯伯克力國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室）參與設(shè)計和建造世界上功率最大的用于中子散射研究與開發(fā)的散裂中子源。初步設(shè)計要求加速器系統(tǒng)由一個離子源、一臺全能量直線加速器（直線加速器）和一臺累積環(huán)組成。三者合在一起產(chǎn)生短的強(qiáng)大質(zhì)子脈沖。這些質(zhì)子脈沖撞擊一個水銀靶，通過散裂核反應(yīng)過程產(chǎn)生中子。SNS將1.4 MW的束流功率發(fā)送到靶。設(shè)計時，還為將來增加科學(xué)成果留有余地。這一思路旨在提供一臺進(jìn)入下一世紀(jì)足以滿足科學(xué)界對中子流強(qiáng)要求的裝置。

中子源

勞倫斯伯克力國家實驗室 (LBNL)負(fù)責(zé)設(shè)計和建造SNS的前端系統(tǒng)，包括離子源、束流形成和控制軟件以及低能束流輸運(yùn)和加速系統(tǒng)。離子源產(chǎn)生負(fù)氫離子–多帶一個電子–形成一個脈沖束流，加速到MeV。該束流被送到一臺大型直線加速器。

直線加速器

洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)負(fù)責(zé)直線加速器。該直線加速器將負(fù)氫束流從2。5加速到1000 MeV，或1 GeV。該直線加速器由正常傳導(dǎo)和超導(dǎo)高頻腔疊加而成，腔體加速束流和提供聚焦和導(dǎo)向的磁鐵布局。使用了三種不同類型的加速器。前兩個加速器，即漂移管直線加速器和耦合腔直線加速器由銅制成，室溫運(yùn)行，將束流加速到約200 MeV。其他部分的加速由超導(dǎo)鈮腔完成。超導(dǎo)鈮腔由托馬斯。杰斐遜國家實驗室(JLab)負(fù)責(zé)。這些腔體用液氦冷卻到工作溫度2000。診斷部件提供有關(guān)束流電流、形狀、定時方面的信息，以及確保束流適于注入到累積環(huán)，并使高功率束流得到安全控制所需的信息。

累積環(huán)

布魯克海文國家實驗室(BNL)負(fù)責(zé)累積環(huán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)增強(qiáng)離子束并使離子束形成束團(tuán)，發(fā)送到水銀靶，產(chǎn)生脈沖中子束。直線加速器產(chǎn)生的強(qiáng)負(fù)氫束流必須銳化1000次，以便產(chǎn)生最佳中子散射研究所需要的極短和尖銳的中子束團(tuán)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，直線加速器產(chǎn)生的負(fù)氫（H -）脈沖通過剝離金屬箔被掩蔽在環(huán)中，剝離金屬箔從帶負(fù)電荷的氫離子剝離電子，產(chǎn)生在環(huán)中運(yùn)行的質(zhì)子(H + )。大約累積1200圈，然后所有這些質(zhì)子立即被踢出，產(chǎn)生小于10^–6秒的脈沖送到靶。用這一方法，以每秒60次的速率產(chǎn)生、儲存和引出短的強(qiáng)中子脈沖打靶。

設(shè)計時留有升級到更高功率的余地，足以滿足科學(xué)界在下一世紀(jì)對中子流強(qiáng)的要求。

靶

橡樹嶺國家實驗室（ORNL）負(fù)責(zé)設(shè)計和建造液體水銀靶。因為進(jìn)入的1GeV 質(zhì)子束流的短強(qiáng)脈沖要將大量的能量存在散裂靶中，所以決定采用液體水銀靶，而不是像鉭或鎢這樣的固體靶。SNS是第一個采用純水銀作為質(zhì)子束流靶的科學(xué)裝置。

選水銀作為靶有幾個原因：(1)它不像固體靶，它不會被輻射損壞；(2)它有高的原子序數(shù)，成為一個無數(shù)中子的源（水銀原子核平均有120個中子和80個質(zhì)子）；(3)因為室溫時它是液體，所以它比固體靶更能消除溫度大量快速上升，并經(jīng)受住快速高能脈沖引起的沖擊效應(yīng)。

從靶出來的中子必須變成適用于研究的低能中子–就是說，它們必須減速到室溫或更低點(diǎn)。從靶來的中子通過裝滿水的管（產(chǎn)生室溫中子），或通過溫度20K的液氫容器（產(chǎn)生冷中子）減速。這些減速劑位于靶的上部和下部。冷中子特別有助于研究聚合物和蛋白質(zhì)。左圖為SNS靶區(qū)—下部減速劑正視圖。

SNS是一種產(chǎn)生中子的特有安全方法，因為質(zhì)子束中斷后中子產(chǎn)生停止。它還產(chǎn)生極少的危險物質(zhì)。為使裝置的安全性達(dá)到最大程度，SNS設(shè)計中包括有多種牽制水平，防止?jié)撛诘奈ｋU物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境。

SNS上的儀器和實驗設(shè)備

阿貢國家實驗室(ANL)主要負(fù)責(zé)為SNS開發(fā)中子散射儀器，并與ORNL密切合作開發(fā)實驗設(shè)備。SNS開始時有一個靶站，工作頻率為60 Hz。將用兩個“熱”減速劑和兩個“冷”減速劑為8條光束線服務(wù)，在這些光束線上將建造各種儀器。SNS期待每年有來自科學(xué)和工業(yè)界的1000 – 2000個用戶使用其實驗設(shè)備。因為不是所有這些用戶都是中子散射方面的專家，所以SNS將提供科學(xué)家和技術(shù)員維護(hù)和運(yùn)行這些儀器，并同用戶界密切合作。右圖為SNS上的儀器示意圖.最終使用的儀器由用戶界通過SNS儀器監(jiān)督委員會確定。

廣大用戶已經(jīng)參與，并將繼續(xù)參與SNS儀器的選擇、設(shè)計、建造和運(yùn)行。在1996年10 月召開的用戶儀器需要和性能度量標(biāo)準(zhǔn)討論會上，用戶推薦并按先后順序在60-Hz靶站安裝一套10臺儀器，留下8條光束線給合作研究小組，讓它們開發(fā)和安裝另外的儀器。

SNS上的科學(xué)研究

SNS的儀器如中子譜儀將用來確定晶體、陶瓷、超導(dǎo)體和蛋白質(zhì)中原子的位置和排列。中子譜儀是如何工作的呢？由散裂中子源產(chǎn)生的中子脈沖沿著飛行軌道到樣品。由于中子有各種能量和波長，所以它們按時間分布，給出一個到樣品的連續(xù)譜。左圖為通過讓中子源的中子全譜從一個晶體散射進(jìn)入到對位置敏感的多個探測器獲得原子結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶體中原子之間的距離與入射的中子的波長匹配時，那個中子就散射進(jìn)入記錄散射中子位置（散射角度）和到達(dá)時間的多個探測器中。結(jié)果是個峰值圖，顯示各種數(shù)量的中子到達(dá)多個探測器中每點(diǎn)的不同位置和到達(dá)時間。這一圖形告訴科學(xué)家不同原子在晶體中是如何排列的。以相同原理為基礎(chǔ)的儀器可以用來確定玻璃和復(fù)雜流體的原子結(jié)構(gòu)，或工業(yè)部件中的殘余應(yīng)力。測量非彈性散射的儀器需要測量中子跨越往返樣品路線的時間。用這種方法，儀器可以確定重要材料的激發(fā)譜和使原子保持在一定位置的力。飛行時間技術(shù)使為每個中子脈沖搜集大量數(shù)據(jù)點(diǎn)成為可能。測量中子時間飛行儀器的效率和產(chǎn)生流強(qiáng)不斷提高以加速器為基礎(chǔ)的散裂中子源的能力，將來可以不斷提供改進(jìn)的中子源。右圖為 從多個探測器在時間和空間上為高溫超導(dǎo)體YBa₂Cu₃O₇獲得的圖像。從此圖像中可獲得原子的位置。

支持設(shè)備

田那西州已經(jīng)承諾為橡樹嶺國家實驗室和田那西大學(xué)建立中子科學(xué)聯(lián)合研究所（JINS）提供800萬美元的經(jīng)費(fèi)。該設(shè)施將是智能中心、SNS外部用戶之門和ORNL高通亮同位素反應(yīng)堆（HFIR）。它將為來自大學(xué)和工業(yè)部門以及國際界的科學(xué)家提供住房。它還將是與田那西大學(xué)、其他參與的大學(xué)和工業(yè)界的合作者擴(kuò)大中子科學(xué)研究與開發(fā)的中心。它還將作為外部使用SNS和ORNL設(shè)備的接口和通道。

計劃將JINS辦成中子科學(xué)界的智能中心。有了SNS和HFIR，中子科學(xué)界將可以使用這兩個最先進(jìn)的脈沖和穩(wěn)態(tài)中子源。團(tuán)組實驗計劃和大學(xué)教師休假期間的實驗計劃將吸引世界上研究機(jī)構(gòu)的精英與這里的工作人員和用戶密切合作?，F(xiàn)代計算、通訊和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將鼓勵交叉科學(xué)和視頻電話會議，為在此工作的學(xué)者和他們的國際同事們提供數(shù)據(jù)獲取和分析能力。SNS和JINS將成為中子科學(xué)繁榮和發(fā)展的所在地。

左圖為藝術(shù)家概念中的SNS實驗室/辦公室大樓。該設(shè)施包括用戶和工作人員辦公室，以及實驗室空間，突出中子科學(xué)聯(lián)合研究所。

設(shè)計技術(shù)參數(shù)

SNS 場地規(guī)劃

SNS工程進(jìn)度

中子散射研究意義何在? 

雖然中子散射研究的成果對多數(shù)人不十分明顯，但是它們使我們?nèi)粘躺钪惺褂玫漠a(chǎn)品品種增加，質(zhì)量得到改進(jìn)。中子散射研究意義的例子如下所述：

|化學(xué)|復(fù)雜流體|結(jié)晶材料|無序材料|工程|磁性和超導(dǎo)|聚合物|結(jié)構(gòu)生物學(xué)|

化學(xué) 

中子散射是增加對許多化學(xué)"奇跡"產(chǎn)品有關(guān)其微結(jié)構(gòu)基本了解的關(guān)鍵。

低脂肪冰激凌具有可接受的味道和特征。磁性潤滑劑附在真空中（譬如空間）運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械軸承上。工業(yè)界在開發(fā)出這些“奇跡”產(chǎn)品的先驅(qū)物之前，必須具有基本的科學(xué)信息，以便開展有效的定向研究，生產(chǎn)出我們當(dāng)今享用的產(chǎn)品。中子散射曾經(jīng)提供過關(guān)于化學(xué)產(chǎn)品所有類型結(jié)構(gòu)方面的獨(dú)特和基本知識，特別是油-水混合物，像乳劑和乳膠。 左圖：中子散射是獲得對油脂和乳劑（包括冰激凌）基本了解的關(guān)鍵。

中子被用來研究骨頭如何在發(fā)展中實現(xiàn)礦化、在骨質(zhì)疏松中如何腐爛和設(shè)計的治療藥物是否奏效。中子散射可幫助確定為什么新開發(fā)牙膏中的一種化學(xué)添加劑能改進(jìn)或阻止牙膏在刷牙中的有效性。

建立混合起來給出最需要的特性的原子與分子聚合體是化學(xué)研究的目標(biāo)。把現(xiàn)有的分子結(jié)構(gòu)與其性能聯(lián)系在一起，常常給出一種假定的可遵循的路子，據(jù)此合成一種“設(shè)計人員”設(shè)計的分子，其性能更好，或具有嶄新的能力。為確定現(xiàn)有的和化學(xué)上被改變的分子結(jié)構(gòu)，既需要中子散射又需要X射線散射。結(jié)構(gòu)信息已經(jīng)幫助開發(fā)了連接無數(shù)原子的巨大分子，譬如像藥物、塑料、衣服用的合成纖維、化妝品、油漆、建筑物、車輛和飛機(jī)用的新材料、更有效的洗發(fā)劑和清潔劑、更好的潤滑劑和更健康的食品。右圖：在復(fù)雜流體流動中不同的棒狀、水油混合物指向某些方向概率的數(shù)學(xué)表示法。

10年后由某些新材料制成的產(chǎn)品將會怎樣呢？比如一個薄片的組成部分是會分開還是固定在一起呢？經(jīng)過一段時間的風(fēng)吹雨打，它們粘附在一起還是剝落開來？高溫時“加速”測試只能破壞多數(shù)新的化學(xué)材料。中子散射可以確定緊密聚合的不同分子是否選擇相互吸引還是相互排斥，使科學(xué)家們很快預(yù)測一種新的產(chǎn)品或材料組合怎樣老化。化學(xué)和生化反應(yīng)取決于反應(yīng)物分子在恰當(dāng)?shù)臅r間找到到達(dá)靶里所需要的反應(yīng)地點(diǎn)—一個大的、團(tuán)狀的運(yùn)動分子的能力。因為它們按恰當(dāng)?shù)臅r空標(biāo)自然工作，所以中子可以作為理想的“更善良更柔和”的探針，顯示大分子和它們內(nèi)部的亞單元彼此相對之間如何運(yùn)動和哪種反應(yīng)物改變可能最奏效。

散裂中子源的高亮度將會提供研究非常小的樣品的新機(jī)會，像材料太新無法得到其大部分，或生產(chǎn)一個更大的樣品需要太長時間和花費(fèi)太高（例如，在某些情況下，僅為生產(chǎn)一個生化樣品的斑點(diǎn)，就要處理幾百公升的細(xì)菌釀造量）。散裂中子源能夠用來研究通過吸附到懸浮在水上的細(xì)小自然塵埃顆粒被擴(kuò)散和穩(wěn)定的有機(jī)污染物。它將提供更為詳細(xì)的材料結(jié)構(gòu)，使科學(xué)家們探索與時間有關(guān)的那米結(jié)構(gòu)的演變，例如泡狀結(jié)構(gòu)提供更有效的與時間有關(guān)的藥物釋放時的情況。在線處理和溶膠研究將幫助研究人員為合成化學(xué)產(chǎn)品制造出更好的催化劑，了解為什么某些添加劑提高潤滑劑的作用和壽命，以及設(shè)計出更有效的微乳化劑，生產(chǎn)出口味和結(jié)構(gòu)更好、存放期更穩(wěn)定的低脂肪食品。散裂中子源提供如何改進(jìn)處理和生產(chǎn)出更好產(chǎn)品方面的知識。左圖：中子散射引導(dǎo)著組成衣服用的合成纖維的大分子開發(fā)。

復(fù)雜流體 

利用高流強(qiáng)中子脈沖了解在分子水平的這些物質(zhì)可加速開發(fā)針對身體特定部位與時間相干的藥物輸送系統(tǒng)。

洗發(fā)劑、油漆、潤滑劑和其他常用的復(fù)雜流體以及軟物質(zhì)具有顯著的特征。唧筒中的洗發(fā)劑必須粘稠到足以停留在手里，但又要稀釋到易于從唧筒中排出，散布在頭發(fā)里。油漆必須粘稠到足以沾在刷子上，但又稀釋到在墻上能平滑地散開。這些特性的關(guān)鍵是切應(yīng)力變薄 — 向一個方向加力使厚度變?。ㄏ駜墒忠黄鸫晔狗试硪荷㈤_）。利用中子可以看到復(fù)雜的分子流體在切應(yīng)力變薄中如何變化。材料厚時，分子纏結(jié)在一起，但是加上一個方向的力以后（例如用油漆刷子），分子就變的有序流動，使得材料變薄。

復(fù)雜流體另一個重要的特征是粘彈性，材料像彈簧那樣，位移時有反沖的傾向。因為利用中子研究的粘彈性添加劑，所以新油粘住移動的金屬部件，而舊的油在啟動升溫時將會散開，并與它們應(yīng)該潤滑的部件分離。

右圖：洗發(fā)劑必須粘稠到足以停留在手里，但又要稀釋到易于散布在頭發(fā)里。利用中子可以看到復(fù)雜的分子流體在加上一個方向的力以后（例如往頭發(fā)里散開洗發(fā)劑）是如何變化的。

復(fù)雜流體如血液，以及軟物質(zhì)如身體細(xì)胞易滲透的壁和其他的膜對生命的變化過程是非常重要的。因為這些物質(zhì)由氫和其他輕的原子組成，所以散裂中子源可用于研究這些物質(zhì)的小樣品。利用高流強(qiáng)中子脈沖了解在分子水平的這些物質(zhì)可加速開發(fā)出針對身體特定部位與時間相干的藥物輸送系統(tǒng)。這樣的藥物可能包含在囊中（生物薄膜囊）和多層囊中（囊中囊，像嵌置的俄羅斯玩具娃娃），它們的壁被身體破壞，以便使藥物在需要的時間和地點(diǎn)按劑量釋放出來。散裂中子源研究可加速開發(fā)人造血液 - 模仿人的血液細(xì)胞作用的囊，故避免因威脅生命的病毒要篩選血液，緊急中找出合適的血型和說服大批人獻(xiàn)血的難題。中子散射圖顯示肥皂溶液是如何被表面切應(yīng)力變稀的。擺脫混亂狀態(tài)的分子結(jié)構(gòu)（左圖）排列得足以自由流動（如峰值所示）。

散裂中子源提供的知識應(yīng)該導(dǎo)致開發(fā)微乳膠（一種液體擴(kuò)散到另一種液體中的微滴）和用于食品加工和化妝品的進(jìn)展；控制微觀流體的流動以便改進(jìn)潤滑劑；開發(fā)添加劑，鼓勵或阻止混合，以便控制一些加工工藝和利用微量的自組合分子迅速改變混合物的粘度。油漆是用中子可以進(jìn)行研究的在切應(yīng)力變薄中（例如將漆刷在墻上）分子結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜流體的另一個例子。要將漆涂得好，漆必須粘稠到能粘在刷子上，又稀釋到在墻上能平滑地散開。

散裂中子源可幫助研究人員了解彈性材料的結(jié)構(gòu)（例如橡皮筋）是如何與彈性聯(lián)系在一起的。污染的土壤可用溶液沖洗，不僅沖洗掉污染物，而且還沖洗掉土壤的肥力。改進(jìn)了的分離技術(shù)利用分子薄膜在土壤沖洗過程中僅去掉污染物。散裂中子源可引導(dǎo)制造薄膜，收集廢物中有價值的化學(xué)制品，以備將來再用。

環(huán)氧樹脂，另一種類型的膠的粘性，或涂層依賴與結(jié)構(gòu)有關(guān)的各種各樣的行為。散裂中子源有助于揭開分子結(jié)構(gòu)各自對這樣復(fù)雜行為的貢獻(xiàn)，大大提高對如何生產(chǎn)出最有效的膠和涂料的了解。
散裂中子源可用來觀察復(fù)雜流體被迫流動或置于壓力下（例如潤滑劑反復(fù)加溫和壓擠到軸承上時）結(jié)構(gòu)的變化。散裂中子源能使科學(xué)家們更好地了解流體結(jié)構(gòu)與流體傳輸特性的關(guān)系，從而改進(jìn)抽油和回收油。

結(jié)晶材料 

散裂中子源使我們了解改變新材料結(jié)構(gòu)和特性的方法，從而使我們做到事半功倍。

從炊具到計算機(jī)芯片到處方藥，許多日常生活中使用的材料都是由具有特殊特性的晶體組成的。任何材料的特性大多是由原子如何排列而確定的。對結(jié)晶材料來說，原子在單個晶體中如何排列和晶體本身如何排列兩者都很重要。許多現(xiàn)代改進(jìn)的材料都有意地改變了原子或晶體的排列。

知道原子在新化合物中如何排列是懂得如何在化學(xué)和物理上改變材料以便得到所需要的特性（例如用于一種新的電子學(xué)設(shè)備）的關(guān)鍵。中子散射是確定原子如何在單個晶體中排列和晶體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變化的壓力、溫度或其他環(huán)境變量影響時晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生的變化。了解一個過程如何改變一種材料的結(jié)構(gòu)，為如何改進(jìn)該材料的特性（例如，生產(chǎn)一種加溫時不會斷裂的新材料）提供重要線索，或決定材料在極端條件下如何工作。左圖：可用散裂中子源探查的薄膜將用于非易失性存儲器，延長膝上型計算機(jī)電池的壽命。

我們對技術(shù)上重要材料基本特性的了解，例如催化劑、離子導(dǎo)體、超導(dǎo)體、合金、陶瓷、水泥、磁鐵和放射性廢物的形成，通過中子散射測量將會繼續(xù)得到提高。另外，散裂中子源更高的中子通量將會大大擴(kuò)展材料科學(xué)方面可行性研究的范圍?？梢匝芯扛〉臉悠?，像當(dāng)代典型電子學(xué)器件（例如CD播放機(jī)）的多層薄膜結(jié)構(gòu)。這樣的多層薄膜結(jié)構(gòu)將用于未來的器件，以改進(jìn)膝上型計算機(jī)、噴墨打印機(jī)、錄像機(jī)和蜂窩式電話網(wǎng)絡(luò)。

新材料各種尺寸的最小組成部分（例如納米粒子、納米纖維和多層薄膜）體積縮小后如何影響材料的物理性能是一個人們?nèi)找娓信d趣的領(lǐng)域，因為這樣的理解為改變物質(zhì)的特性提供了一個新的途徑。中子散射將影響這一領(lǐng)域、相關(guān)和新開發(fā)的復(fù)雜晶體自我組合領(lǐng)域以及生物擬態(tài)結(jié)構(gòu)的處理。

散裂中子源每幾分鐘（或甚至幾秒鐘）提供一個完整的中子衍射圖的能力將能夠?qū)υ谶\(yùn)轉(zhuǎn)化學(xué)電池中的許多過程進(jìn)行時間分辨研究。科學(xué)家們可以了解以下物質(zhì)在分子水平的行為：運(yùn)轉(zhuǎn)電池或燃料電池中的快速離子導(dǎo)體；變化的溫度（或其他變量）對像用于石油和化學(xué)工業(yè)沸石這樣的催化劑，或用于清洗汽車廢氣金屬性催化劑的影響；旋轉(zhuǎn)渦輪葉片升溫和變形時，其晶體結(jié)構(gòu)的變化；水泥吸水時，其微粒的變化；以及放在研究地質(zhì)用的多砧壓具里不斷升壓下稀土材料的變化。右圖：知道牙齒和骨的主要組成成分碳酸鹽磷灰石的原子排列就可制造出類似的合成材料。

研究這些變化會產(chǎn)生數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將有助于模擬地球和其他行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解大規(guī)模的動態(tài)過程，像地殼板塊運(yùn)動、地幔對流、火山活動、地震和行星磁場。

未來技術(shù)用的高性能材料在化學(xué)和結(jié)構(gòu)方面更為復(fù)雜，但它們能使我們事半功倍，使環(huán)境更加友好，并使更多的科學(xué)幻想成為現(xiàn)實。材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)屬于前沿，對其研究需要不斷加大中子散射的作用。

左圖：散裂中子源能使科學(xué)家們研究用于蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)中超導(dǎo)微波器件使用的薄的膜片這樣的小樣品。

無序材料 

在研究蛋白質(zhì)獲取制藥、農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)非常感興趣的信息方面，中子作為X射線的補(bǔ)充。

典型的金屬或合金是由被邊界分開的晶粒組成，像個嵌鑲物。不幸的是，晶粒邊界會降低材料的力和可塑性。在尋找更結(jié)實更有彈性的材料時，科學(xué)家們通過制作出非晶材料消除了晶粒邊界。 多數(shù)非晶材料是一種新的振奮人心的無序材料，它們具有很大的強(qiáng)度，摩擦力低，耐磨，抗腐蝕并易于成形。因為它們由恰當(dāng)?shù)某煞纸M合，所以這些材料可以按比正常需要慢得多的冷卻率鑄造成塊以獲得非晶狀態(tài)。 在固化過程中，中子散射可以搜集正在變化的原子結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的詳細(xì)情況。該信息被用來建立這些合金的計算機(jī)模型以便進(jìn)一步開發(fā)。事實上，這一信息已經(jīng)引導(dǎo)開發(fā)出以鋁為基礎(chǔ)的合金，用于制造具有提高彈性特性的高爾夫球棒的頭，使高爾夫球員將球擊得更遠(yuǎn)。右圖：強(qiáng)中子束流將提供有關(guān)做出用于臀部移植耐磨和抗腐蝕更好的合金表面的線索。

理想的晶體是由重復(fù)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)形成的。在一個無序的材料里，一些原子靠的很近，一些原子彼此間的距離比原子之間的平均距離要遠(yuǎn)。優(yōu)先選擇原子間的距離和被各種距離分開的原子或分子部分可從中子散射推斷出來。一旦知道無序材料的平均結(jié)構(gòu)，就可利用中子確定它在原子水平對變形或?qū)囟茸兓姆磻?yīng)。散裂中子源將使科學(xué)家們比利用當(dāng)代中子源更好地了解先進(jìn)材料，會使科學(xué)家們：

· 了解現(xiàn)場生長和界面變得粗糙（例如用于壓力傳感器和抗輻射計算機(jī)存儲器器件的薄磁化膜片）； 

· 獲得有關(guān)僅能少量生產(chǎn)或有低密度缺陷材料的詳細(xì)情況（例如造成高劑量輻射的鐵變硬的晶格缺陷周圍的變形）； 

· 開展時間分辨實驗，研究像熔化和相變這樣的現(xiàn)象（例如一種金屬從磁性到非磁性或從可塑到易脆的變化）； 

· 解釋復(fù)雜多成分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性（例如將熔化危險廢物盡量把有毒金屬分離出來和生產(chǎn)商業(yè)產(chǎn)品的工藝分類）；

· 通過能滲透的或限制性的介質(zhì)探索液體的漫射（例如通過注入汽從地下沙石引出少量油的最佳工藝）。

上圖：用這個發(fā)球桿可將高爾夫球擊得更遠(yuǎn)，因為它的頭是以鋁為基礎(chǔ)的非晶合金制作的。其特殊的特點(diǎn)已被中子散射所鑒定。

利用散裂中子源，科學(xué)家們可以收集有關(guān)通訊光纖、用于小型化馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的金屬玻璃（鐵-硼）磁鐵和可能用于蓄電池和燃料電池的離子導(dǎo)電玻璃方面更為詳細(xì)的信息。散裂中子源將用來研究被污染的土壤和其他密封在玻璃里的廢材料（經(jīng)過一段時間被輻射損壞）的長期穩(wěn)定性。強(qiáng)中子束流有助于研究整體性質(zhì)和用于醫(yī)學(xué)植入的鈷鈦合金的表面處理，因為這些合金在生物學(xué)上是惰性的，非常耐磨和抗腐蝕。中子散射是研究競相開發(fā)新材料電子工業(yè)中使用的非晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和分子水平動態(tài)（例如硅原子的結(jié)合）的重要工具。

右圖：中子散射是研究半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動的重要工具。

工程 

工程師們需要知道一個部件什么時候可能失靈和采用不同的材料和工藝如何影響其性能。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，中子散射在保護(hù)公眾安全和環(huán)境方面在幕后起到重要作用。中子散射引導(dǎo)了改進(jìn)，確?；疖嚥幻撾x軌道，機(jī)翼不從飛機(jī)上掉落下來和管道不腐蝕到足以漏油。通過測量原子面伸長或收縮多長距離（格點(diǎn)應(yīng)變），中子可以探測多數(shù)材料的剩余應(yīng)力。在加工過程中可以在一個部件形成的這些應(yīng)力，可使其破裂、磨損、加速化學(xué)腐蝕，甚至被使用中外部給該部件加上的應(yīng)力所損壞。工程師們想知道什么時候一個部件可能發(fā)生損壞，是否使用不同的材料和加工工藝（例如熱處理）能夠生產(chǎn)出一種壽命更長的部件。中子散射結(jié)果和計算機(jī)模擬合在一起能夠提供這些答案。

為防止造紙廠回收鍋爐發(fā)生意外故障（鍋爐爆炸常常造成工人的傷亡，停工期間，每天使造紙廠損失100萬美圓），正在尋找鍋爐蒸汽管的替代材料和加工工藝。目標(biāo)是防止鋼管破裂。鋼管破裂使水與用于分離造紙用的木纖維熱的腐蝕性化學(xué)制品相接觸。利用中子散射測量由不同方法制造的鍋爐蒸汽管中的剩余應(yīng)力防止它們被腐蝕，研究人員希望找到不昂貴的加工工藝，使產(chǎn)生的剩余應(yīng)力降到最低程度，增加管子的壽命和拯救人的生命。

右圖：中子散射圖上標(biāo)記顯示的帶有焊接覆蓋層鋼板上的壓縮應(yīng)變（蘭色）和拉伸應(yīng)變（紅色）的極值。不該有的焊接工藝變量造成應(yīng)變分布的不規(guī)則性。

制鋁業(yè)對建造像鋼橋面一樣堅固和抗腐蝕的鋁橋面饒有興趣。因為鋁橋面比鋼橋面輕，所以可以建造價比較低的支撐結(jié)構(gòu)，模塊建造鋁橋面還易于更換某部分橋面?？茖W(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出用中子研究鋁橋面鋁焊接中的剩余應(yīng)力。左圖：美國賓西法尼亞州的Corbin大橋是第一座橋面換為鋁面的大橋（1996年）。這樣橋面的鋁焊接由中子散射進(jìn)行表征。

散裂中子源將使工程師們測量更小樣品尺寸，或像運(yùn)土設(shè)備這樣的大型工程模型中更為精細(xì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。它能有效地測量不斷用于制造切削工具、飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)部件符合材料的剩余應(yīng)力，因為它們比其他材料都結(jié)實和輕。符合材料由金屬矩陣組成，金屬矩陣中嵌入陶瓷纖維以使其堅固。例如因為鋁和硅氮化物在把它們組合在一起的加工過程中膨脹和收縮不同，所以形成剩余微應(yīng)力。中子用不同方法對樣品中微應(yīng)力的表征有助于確定生產(chǎn)最結(jié)實的復(fù)合材料的加工工藝。

散裂中子源上的小角度散射比電子顯微術(shù)更能在圖上標(biāo)出在那米尺度造成材料故障的缺陷。小角度散射能夠探測經(jīng)數(shù)年反應(yīng)堆堆芯中子輻射在反應(yīng)堆容器里的鋼中形成的50個原子簇，或沉積物。被輻照的鋼變得易脆，因此更容易破裂。中子可以用來驗證對容器的熱處理是否能去掉缺陷，使其不容易脆。右圖：中子散射已經(jīng)被用來確定如何最佳生產(chǎn)和焊接用于輸油管道的材料，以降低剩余應(yīng)力和防止輸油管道破裂和漏油。

為建造像安全和有效渦輪噴氣發(fā)動機(jī)這樣的大工程奇跡，它有助于了解渦輪葉片的金屬合金在極端應(yīng)力下微觀水平時是如何變化的。工程師們認(rèn)為大，但他們工程的成功常常取決于由中子提供的對于小的了解。

磁性和超導(dǎo) 

散裂中子源應(yīng)該幫助科學(xué)家們了解磁性和超導(dǎo)材料是如何起作用的，從而改進(jìn)電的傳輸，提高磁鐵和電子器件的性能。

有關(guān)已知磁性材料中原子行為的多數(shù)情況是通過中子散射獲得的。中子可以揭示用其他方法不能獲得的有關(guān)材料的磁性特征的詳細(xì)情況。這樣的信息對于創(chuàng)造高密度記錄介質(zhì)，如錄音帶、錄像帶、CD和計算機(jī)盤至關(guān)重要。 中子散射幫助科學(xué)家們確定不同重要材料中"磁性"原子的位置和相互作用。因為中子具有磁矩并像小的磁鐵那樣起作用，因此它們被與引起材料磁性的未配對電子發(fā)生的相互作用散射。研究人員的一個主要目標(biāo)曾經(jīng)是開發(fā)更小、更輕，但單位體積磁力更強(qiáng)的永久磁鐵。中子散射實驗可確定高性能磁性材料的原子結(jié)構(gòu)。這一信息引導(dǎo)工業(yè)部門挑選磁鐵的最佳材料和加工工藝。由于開展這樣的研究，我們就能利用永久磁鐵制造小的馬達(dá)，使得我們可以自動調(diào)節(jié)座位，打開汽車窗戶。緊湊型重量輕的磁鐵還可提高車輛的燃料效率。未來的超導(dǎo)磁鐵懸浮列車會比法國的TGV（左圖所示）更快。

散裂中子源將在方便的能量范圍內(nèi)提供研究磁性材料激勵的中子，提供電子成帶狀的金屬固體的磁性相互作用力和磁性方面的詳細(xì)情況。這些材料的磁性激勵常常在高能量時產(chǎn)生，特別適于散裂中子源的研究。散裂中子源將非常有助于分析先進(jìn)的低維材料，包括帶"單行行進(jìn)磁性原子"的一維晶體和每層有幾個原子厚的二維層疊薄膜結(jié)構(gòu)。其他研究的對象包括顯示巨大磁阻效應(yīng)的材料（外部磁場調(diào)整磁化強(qiáng)度時，電阻抗大量降低）。更好地了解這些材料將會導(dǎo)致制造出更漂亮的傳感器和抗輻射計算機(jī)數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。右圖：極化中子衍射圖顯示鍶釕酸鹽單晶體中磁化電子的密度。中子揭示新的磁性和超導(dǎo)材料。

中子散射對于研究1986年以來發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料非常重要。一種非同尋常的有趣的磁性材料是鐿鋇銅氧化物（YBa₂Cu₃O₇，或 YBCO）。如果它的晶粒排列成一條直線，它被激冷到液氮溫度，YBCO和其他類似的超導(dǎo)體便會在磁場中帶有大量電流，沒有能量損耗。中子散射正被用來研究磁場是如何在像YBCO 這樣的超導(dǎo)體中起作用的。中子散射可以直接對這些領(lǐng)域進(jìn)行研究，提供沒有其他方法可以獲得的信息，該信息對確定超導(dǎo)材料帶電流的能力很重要。 

更高流強(qiáng)的散裂中子源應(yīng)提供足夠的中子，使科學(xué)家們約束在材料的超導(dǎo)能力中磁性的詳細(xì)作用。這一信息可幫助科學(xué)家們解釋高溫超導(dǎo)體如何工作，它們怎么能夠在相對高溫時保持其超導(dǎo)性。懂得了這一點(diǎn)，就能生產(chǎn)出更好的高溫時帶有更大電流的超導(dǎo)材料，使改進(jìn)高功率傳輸線和高磁場磁鐵的性能成為可能。散裂中子源應(yīng)幫助科學(xué)家們更好地了解磁性和超導(dǎo)材料如何工作和如何最佳地將它們組合在一起。這種基本的信息可以運(yùn)用到設(shè)計更快的電子學(xué)設(shè)備上。

左圖：中子散射看到的一種高溫超導(dǎo)體的自旋量子域態(tài)模型和電荷圖形。帶顏色的框是自旋（紅的在上，藍(lán)的在下 - 大小代表有序矩的振幅）。瓦楞形的綠色代表電荷調(diào)制度。

聚合物 

小角度散射已經(jīng)提供引人注意的證據(jù)，支持諾貝爾獎獲得者關(guān)于聚合物鏈行為的預(yù)言。

二十世紀(jì)四十年代，工業(yè)化學(xué)家們開始合成被稱為聚合物的大分子，制造結(jié)實的輕的被稱為塑料的材料。過去50年中，他們?nèi)〉靡幌盗械某晒Γ?/P>

·　 用于汽車和飛機(jī)（例如波音757噴汽式飛機(jī)）的更結(jié)實更輕的材料；

·　 保護(hù)警官的防彈背心；

·　 紡織品用的合成纖維；

·　 人們熟悉的只有在缺口處才能撕開的航空花生米袋。

美國聚合物年消費(fèi)量超過700億磅，所以這些材料是科學(xué)和商業(yè)上感興趣的課題。

聚合物是由長的鏈?zhǔn)椒肿咏M成的，這種分子可為大的強(qiáng)度定向。鏈?zhǔn)峭ㄟ^將許多由氫、碳、氧和和氟這樣的原子組成的比較小的分子組合在一起而形成的。中子具有研究聚合物獨(dú)一無二的特性，像能使分子“著色”，并通過同位素標(biāo)示使它們被看到。過去20年中，這一技術(shù)使我們對分子結(jié)構(gòu)有了基本了解。比如，小角度散射已經(jīng)提供了令人注目的證據(jù)，支持諾貝爾獎獲得者Paul Flory 50年前關(guān)于聚合物鏈在固態(tài)中采取隨機(jī)組合的預(yù)言。右圖：利用改變壓力增加二氧化碳密度時聚成膠束（上部）稱為表面活化劑像去污劑的分子，將小分子（紅色）懸浮在超臨界二氧化碳（蘭色）中的無污染方法形成聚合物。

當(dāng)化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)含氟聚合物制造鍋碗瓢盆（特氟?。┖头乐沟靥赫次蹠r，一個討厭的副產(chǎn)品是環(huán)境污染。正在從事開發(fā)生產(chǎn)塑料更干凈方法的研究，旨在開發(fā)出環(huán)境上比較好的工藝。這些工藝不使用破壞臭氧的氯氟碳，和大大降低被污染的水量和產(chǎn)生的有毒的廢物。這些工藝采用超臨界二氧化碳（CO2）。超臨界二氧化碳已被用作非毒性溶劑（例如去掉咖啡豆中的咖啡因），并隨時可以作為可回收的“廢氣”，回收中沒有純二氧化碳釋放到大氣里。但是，因為許多聚合物不溶解于二氧化碳，所以橡樹嶺國家實驗室和北卡羅來納大學(xué)采用小角度散射來確定什么使一些聚合物溶解，如何開發(fā)出完全像幫助油溶解在水中那樣使不溶解的二氧化碳物質(zhì)懸浮在溶液中的乳化劑（去污劑）。小角度散射已經(jīng)提供了這樣的詳細(xì)信息，即如何可將溶劑的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使二氧化碳不溶解的物質(zhì)溶解，或在加工過程中適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)使它們從溶液中脫落出來，從而控制獨(dú)特的聚合化、引出和清洗應(yīng)用中的溶解度。左圖：中子散射將幫助科學(xué)家們確定最佳的聚合物混合以便生產(chǎn)出高質(zhì)量的塑料產(chǎn)品。

因為新的聚合物在實現(xiàn)商品化方面的困難，工業(yè)部門越來越多地轉(zhuǎn)向把現(xiàn)有的聚合物融合在一起以優(yōu)化混合物的使用特性。這樣的材料約占聚合物市場的四分之一；這部分正以相當(dāng)于工業(yè)塑料兩倍的速度增長。小角度散射是研究這樣混合物的重要技術(shù)。利用散裂中子源，在幾秒而不是幾分鐘或幾小時就可進(jìn)行這樣的實驗。用這種方法，研究人員可以很快地確定聚合物混合的怎樣，聚合物磨碎和壓縮多長時間，什么溫度應(yīng)該將它們?nèi)诤显谝黄穑员惬@得最佳混合以及什么混合物能形成最佳產(chǎn)品。例如，如果有興趣回收塑料，散裂中子源可幫助科學(xué)家們了解哪些聚合物能夠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，所以確定不同成分的兼容程度可幫助設(shè)計再處理戰(zhàn)略和評估合成材料的實用性。

右圖：波音757飛機(jī)是由重量輕的塑料制造的。中子研究可導(dǎo)致生產(chǎn)出更安全、更快和能效更高的飛機(jī)。

結(jié)構(gòu)生物學(xué) 

在研究蛋白質(zhì)中中子給X射線起補(bǔ)充作用。制藥業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)對研究蛋白質(zhì)獲得的信息非常感興趣。

了解蛋白質(zhì)如何工作是打開生命秘密的鑰匙。作為酶，蛋白質(zhì)促使活的細(xì)胞進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。作為荷爾蒙，它們調(diào)節(jié)身體的發(fā)育和指導(dǎo)器官的活動。蛋白質(zhì)保護(hù)我們不受感染，但它們以突變株體形式或作為病毒的外層，它們導(dǎo)致疾病的發(fā)生，像癌癥和愛滋病。使蛋白質(zhì)具有多種和特定功能的關(guān)鍵是每種類型的分子所取的復(fù)雜形狀（從橢球形到碟形到啞鈴形）。

蛋白質(zhì)是一串氨基酸，其序列由指導(dǎo)它合成的基因最后決定的。人類基因組排序工程將為在大約100，000酶、荷爾蒙和人的生命結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)編碼的基因中化學(xué)堿基順序提供完整的DNA藍(lán)圖。該工程下個階段是識別和研究大分子，確定它們的形成和功能。衰老和癌癥部分原因是由于涉及調(diào)節(jié)人的遺傳圖形表達(dá)式的DNA 和蛋白質(zhì)功能異常引起的。知道了這些大分子的單個結(jié)構(gòu)，可以幫助了解疾病在分子水平的化學(xué)性質(zhì)和遺傳調(diào)節(jié)的化學(xué)機(jī)制。左圖：DNA的組成部分指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，其形狀和結(jié)構(gòu)由散裂中子源的中子散射決定。

中子精確確定氫（或氘）原子以及大分子結(jié)構(gòu)中的碳、氧、氮和磷原子可能對制藥工業(yè)重要。

為設(shè)計阻止蛋白質(zhì)作用引起紊亂的藥物，重要的是知道那種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。更高流強(qiáng)束流中的中子將提供信息，補(bǔ)充X射線獲得的關(guān)于近乎微觀蛋白質(zhì)晶體方面的信息。實驗表明這樣的晶體在軌道空間站可以生長到大于1立方毫米，形成足夠數(shù)量的分子單元，供進(jìn)行有意義的中子分析。中子還作為對X射線研究溶液中蛋白質(zhì)的補(bǔ)充，制藥業(yè)、農(nóng)業(yè)和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)可能對此非常感興趣。

散裂中子源有助于研究蛋白質(zhì)折疊 — 一串氨基酸重復(fù)折疊形成蛋白質(zhì)功能性的三維形狀的過程。一種折疊影響功能的方法是將分離很遠(yuǎn)的氨基酸集合起來形成活性區(qū) — 發(fā)生與生化物質(zhì)組合的酶催化區(qū)。只有中子可以讓科學(xué)家們“看到”活性區(qū)的臨界氫原子。

散裂中子源有助于研究酶的活性機(jī)制（例如酶促過程如何改變基質(zhì)，或藥物如何中斷酶的功能）。通過研究結(jié)合在酶上的氘化基質(zhì)，散裂中子源可以幫助科學(xué)家們確定酶活性區(qū)的位置和潛在藥物結(jié)合在那區(qū)的可能性,中斷不需要的酶的活性。

右圖：利用中子散射確定主分酶的結(jié)構(gòu)有助于開發(fā)更有效的治療藥物。

如果蛋白質(zhì)折疊問題能夠解決，基因序列就能夠直接轉(zhuǎn)換成三維結(jié)構(gòu)。但是，必須產(chǎn)生非同尋常量的中子和X 射線數(shù)據(jù)，幫助開發(fā)和驗證計算機(jī)算法，預(yù)測蛋白質(zhì)折疊。同時，幾乎每個有興趣的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)都需要分開進(jìn)行分析，延長了確定生物學(xué)感興趣的大分子的形狀和作用。中子散射探測氫原子的能力如左側(cè)的水合一氧化碳肌球素圖所示。蛋白質(zhì)棒形模型上填充空間的點(diǎn)畫結(jié)構(gòu)是水合水分子。

高能所科研處制作 內(nèi)容由侯儒成譯自O(shè)RNL網(wǎng)