鎢成為中國新一代中子散射技術關鍵材料

近日，位於東莞的中國散裂中子源(CSNS)設施建成投入使用，這不僅是中國科學家向前邁出的一大步，也是國際科學界的重大事件。這其中，設施的重要元件“中子靶站”使用了鎢材料。

CSNS 使用中子散射技術：當一束中子入射到樣品上時，入射中子與樣品的原子核發生相互作用而被散射。測量散射中子的能量和動量變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質的微觀結構和運動規律，告訴人們原子和分子的位置及其運動狀態。

散裂中子源技術在生物、生命、醫藥、新能源、航太航空科技等研究領域發揮著 X 射線無法替代的作用，並與同步輻射光源互為補充，成為基礎科學研究和新材料研發的最重要平臺之一。例如，散裂中子源的質子和中子可用於腫瘤的放射性治療研究，已在許多發達國家得到應用。還有，在新型清潔能源可燃冰的開發利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其研究成果將為安全、高效地開採和利用可燃冰提供科學依據。

CSNS 主要有質子加速器、中子靶站和中子散射譜儀三部分組成，這其中，靶站是散裂源中將加速器系統輸出的高能質子束打靶產生的散裂中子經慢化准直轉化為可開展散射實驗的中子束的裝置。靶站由靶體、反射體、慢化體、冷卻裝置和遮罩體構成。中子靶站的靶體材料就是鎢，這是中子靶站乃至整個CSNS 設施的核心元件，散裂中子源通過質子撞擊鎢靶產生中子。

據瞭解，選擇散裂中子源的靶材料時，要求材料具有中子吸收截面小，原子密度高，中子產額高、熱導性好，抗腐蝕性強，耐輻照損傷等特性。在散裂反應中，中子的產額和靶材料的原子質量數成正比，因此一般選用原子質量數很高的重金屬來作為靶材料。CSNS一期的設計功率是100k W，二期是500kW，在這兩個功率下，固體靶的性能要遠高於液體靶。

固體靶可選材料有鉭、鉛、鈾、鎢、金等。其中，鉛的原子密度和中子產額太低；鈾雖然中子產額非常高，但是在散裂環境下它還會發生裂變反應，裂變反應會增加緩發中子的數量，從而增大中子的本底，不利於中子束的控制，而且鈾的輻照損傷非常明顯，造成鈾靶的使用壽命很低；鉭的導熱性較差，同時輻照後的活性較大。CSNS 選擇鎢作為產生中子的靶材料，與其它材料相比，鎢具有熔點高、熱導好、中子產額高、活性低等優點。蒙特卡羅類比顯示，扁平形狀靶的洩漏中子高於圓柱形靶和方形靶，同時，慢化器與中子產生區域的距離縮短，提高了靶－慢化器的耦合效率，進而提高慢化器輸出的中子強度，故 CSNS 決定採用扁平形狀的鎢靶體。

CSNS使用鎢作為金屬靶體。與使用核反應爐產生中子束的方法相比，這種方法更具經濟效益和安全性。由於中子沒有電荷，它們可以更容易地穿透材料，加之中子對氫等元素更敏感，因此還可用於檢測燃料電池的製造材料。類似的設施只在英國，美國，日本和瑞士才有，而瑞典的相關設施處於建設之中。

CSNS設施投入約22億人民幣，它不僅將鼓勵中國研究人員留在國內發展， 也將吸引越來越多的國際頂尖物理學家、材料科學家到中國參與研究，毋庸置疑，中國散裂中子源的儀器將是地球，環境和能源科學以及物理，化學和材料科學的重要資產。

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