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大家上学的时候一定都见过或者亲手操作过显微镜，借助它我们能看到细胞、纤维等各种微小的结构。
随着科学家对材料科学研究的逐渐深入，普通的光学显微镜已经无法满足人们的需求。于是，人们用电子束、中子束等代替光束，射入物体内部，窥探物体内部更小的结构。
今天要为大家介绍的就是中国自主研发建造的一套超强、超大的“显微镜”——中国散裂中子源（CSNS）。
先上图感受下它的全貌：
小伙伴们是不是惊呆了？说好的显微镜呢，这看起来明明是一座座“大工厂”啊！
其实，严格来讲中国散裂中子源是一台粒子加速器。加速器就像一个制造中子的车间，能够产生大量飞快运动的中子，我们把这些中子收集、减速，并使其射入材料中，就能探测到材料内部的微观结构了。
加速器是什么？中子又是何方神圣？为什么它可以用来探测物体的微观结构？下面就和小编一起了解下吧~
散裂反应
我们知道，常见的物质一般都由分子或原子构成，原子又可分为核外电子和原子核两部分，原子核中又包含了许多紧密结合在一起的质子和中子。
原子结构示意图一般情况下，原子核十分稳定，不会轻易地解体、破裂。不过当外来的高能粒子，如飞速运动的质子，撞击到原子核时，原子核中的一些中子就会被撞出来，就好像打台球一样，这个过程被称为散裂反应。
原子核被轰击之后，除了会直接被撞出去一些中子外，一部分碰撞的能量传递到了原子核内部，使得原子核的“温度”升高，其内部的中子和质子剧烈地振动，并且互相之间不断发生碰撞。
当原子核内部的能量高到一定程度时，其内部更多的中子就会“沸腾起来”，脱离原子核的束缚，射向四面八方。
散裂反应就好比一个碗中装满了小钢珠，当我们用另外一个小钢珠飞快地射入碗中时，一些小钢珠会被直接撞飞。
此外，由于碰撞，碗中没有被直接撞飞的钢珠也会来回滚动、撞击、弹跳，一些弹跳剧烈的钢珠就会溢出碗外。
通常一个飞速驶来的质子可以从原子核中轰击出20~30个中子，当质子源源不断地轰击时，就能高效地生产出大量的中子。
知道了中子怎么来的，下面我们还需要获得轰击原子核用的“子弹”——高能质子。
加速器与靶站
前面提到过，中国散裂中子源本质上是一台粒子加速器。我们知道，相同的子弹，速度越快，威力越大。加速器的作用是给轰击原子核用的“子弹”加速，使其获得能够撞碎原子核的能量。
中国散裂中子源采用的子弹是质子。首先，离子源产生制造质子的原料——负氢离子。负氢离子产生后随即进入带有强电场的直线加速器。
我们知道带电粒子可以在电场作用下沿一个方向加速。直线加速器中的强电场可以使带负电的负氢离子一边沿着直线加速器运动，一边加速。负氢离子在加速器中走得越远，速度就越快。
不过，直线加速器的长度是有限的，一旦负氢离子走到加速器的另一端，就没办法继续加速，这时就需要环形加速器来帮忙。
负氢离子走到直线加速器末端并获得一定的速度后，会经过一个剥离膜，使其脱胎换骨，变成我们需要的子弹——质子。
负氢离子转变为带正电质子进入环形加速器。环形加速器中不仅有电场，还有磁场。电场负责给质子加速，磁场则专门让质子转弯。
在电场和磁场的相互配合下，质子会一边加速一边拐弯，由于加速器是环形的，质子可以一圈圈地在加速器内持续加速，不受空间限制。
在经历数圈的加速后，当质子运动速度大小接近0.9倍光速（光速是宇宙中最快的速度，299792458 m/s）时，即可将它从环形加速器中导出，进入靶站。
像子弹打靶一样，高能质子射入到钨靶中，轰击钨原子核，使其发生散裂反应，发射出大量中子。
中国散裂中子源主要构造
不过，钨靶内散裂反应产生的中子速度十分快，能量也极高，无法直接用来探测材料，还需要慢化器来给这些中子减速。
打台球时，母球撞击其他球后，不仅运动方向会改变，速度也会降低。
类似地，当快中子进入慢化器后，会与慢化器内的介质不断发生相互作用，如同台球一次次碰撞，每一次“碰撞”中子的速度都会有所降低。
经过慢化器的减速后，快中子变为适宜探测材料用的慢中子，慢中子通过中子束线系统，从指定的方向射出，用以探测材料结构。
中子慢化中子是如何探测材料结构的？
说完中子如何制备，那么这个小小的微观粒子是如何探测材料结构的呢？
看似致密、连续、完整的材料，从微观的角度来看，内部其实是由不计其数的原子构成。这些原子依靠着相互作用，以一定排列方式零零散散地分布在材料里面。
比原子还小的中子可以轻易地透过间隙，射入材料内部。当射入材料的中子与原子核相撞时，中子的运动方向就会改变，从另一个方向射出，被探测器接收到。
中子被原子核散射示意图大量中子同时从某个方向射入材料，各自与材料内部的原子核相碰又弹开的过程称为散射。
如果我们用探测器收集经散射后从材料里弹出来的中子，就会发现有些方向弹回来的中子多，有些方向弹回来的中子少，有些方向几乎没有中子弹回来。
根据中子弹回来的具体方向，科学家们就可以反推出材料内部的原子到底是如何排列的，相当于间接地“看见”了材料内部原子的排列方式，这也是为什么散裂中子源被人们称作“显微镜”。
散射示意图我们知道，材料内的原子不是静止不动的，而是在不停地振动着。中子散射除了能知道材料内的原子在哪，还能知道这些原子怎么动。
这是因为中子在与原子核碰撞时，可能会把自身的能量传给原子核，使自己减速，并加强原子的振动；还可能吸收原子核振动的能量，减弱原子的振动，并让自己加速。
材料内部的各个原子可不是随意振动的，它们只能以一些特定的模式振动。
科学家们通过分析散射前后中子运动方向与速度大小的变化，就可以推测出这个材料内部的原子适宜哪些模式振动的。这对研究材料的热学性能是有很大帮助的。
中子还有一个本领——探测磁性材料的性质。这是因为中子虽然不带电，但它具有磁矩，磁矩的方向会随外界磁场变化而变化，就好像一个“小磁针”。
当把中子射入磁性材料时，中子的磁矩会和磁性材料里原子的磁矩发生相互作用，发生磁散射。科学家们通过分析磁散射前后中子运动方向的变化，即可得到材料相应的磁学性质。
2018年中国散裂中子源正式建成，2019年对全社会各科研单位，中国成为第四个拥有散裂中子源的国家。
自开放起，中国散裂中子源就吸引了一大批用户。第一批用户包括国内外56所科研机构和大学，共74项课题。
其中，来自中国香港的黄明欣教授就曾表示：“太方便了，就像在自己家门口。”借助中国散裂中子源，他的团队有望研制出世界上最强的钢材。
目前，中国散裂中子源只开放了一部分功能。未来在科学家和工程师的努力下，中国散裂中子还会研制并开放更多种类的中子谱仪，来满足材料的不同需求。
同时，我们也期待中国科学家能在中国散裂中子源的帮助下，登上材料科学的一个又一个高峰。
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