钨成为中国新一代中子散射技术关键材料

近日，位于东莞的中国散裂中子源(CSNS)设施建成投入使用，这不仅是中国科学家向前迈出的一大步，也是国际科学界的重大事件。这其中，设施的重要组件“中子靶站”使用了钨材料。

CSNS 使用中子散射技术：当一束中子入射到样品上时，入射中子与样品的原子核发生相互作用而被散射。测量散射中子的能量和动量变化，就可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律，告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。

散裂中子源技术在生物、生命、医药、新能源、航天航空科技等研究领域发挥着 X 射线无法替代的作用，并与同步辐射光源互为补充，成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。例如，散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究，已在许多发达国家得到应用。还有，在新型清洁能源可燃冰的开发利用中，散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件，其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

CSNS 主要有质子加速器、中子靶站和中子散射谱仪三部分组成，这其中，靶站是散裂源中将加速器系统输出的高能质子束打靶产生的散裂中子经慢化准直转化为可开展散射实验的中子束的装置。靶站由靶体、反射体、慢化体、冷却装置和屏蔽体构成。中子靶站的靶体材料就是钨，这是中子靶站乃至整个CSNS 设施的核心组件，散裂中子源通过质子撞击钨靶产生中子。

据了解，选择散裂中子源的靶材料时，要求材料具有中子吸收截面小，原子密度高，中子产额高、热导性好，抗腐蚀性强，耐辐照损伤等特性。在散裂反应中，中子的产额和靶材料的原子质量数成正比，因此一般选用原子质量数很高的重金属来作为靶材料。CSNS一期的设计功率是100k W，二期是500kW，在这两个功率下，固体靶的性能要远高于液体靶。

固体靶可选材料有钽、铅、铀、钨、金等。其中，铅的原子密度和中子产额太低；铀虽然中子产额非常高，但是在散裂环境下它还会发生裂变反应，裂变反应会增加缓发中子的数量，从而增大中子的本底，不利于中子束的控制，而且铀的辐照损伤非常明显，造成铀靶的使用寿命很低；钽的导热性较差，同时辐照后的活性较大。CSNS 选择钨作为产生中子的靶材料，与其它材料相比，钨具有熔点高、热导好、中子产额高、活性低等优点。蒙特卡罗模拟显示，扁平形状靶的泄漏中子高于圆柱形靶和方形靶，同时，慢化器与中子产生区域的距离缩短，提高了靶－慢化器的耦合效率，进而提高慢化器输出的中子强度，故 CSNS 决定采用扁平形状的钨靶体。

CSNS使用钨作为金属靶体。与使用核反应堆产生中子束的方法相比，这种方法更具经济效益和安全性。由于中子没有电荷，它们可以更容易地穿透材料，加之中子对氢等元素更敏感，因此还可用于检测燃料电池的制造材料。类似的设施只在英国，美国，日本和瑞士才有，而瑞典的相关设施处于建设之中。

CSNS设施投入约22亿人民币，它不仅将鼓励中国研究人员留在国内发展， 也将吸引越来越多的国际顶尖物理学家、材料科学家到中国参与研究，毋庸置疑，中国散裂中子源的仪器将是地球，环境和能源科学以及物理，化学和材料科学的重要资产。（中钨在线：伟平）

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