你知道航空发动机的“心脏病”吗？那是制约航空发动机性质的最大困难之一——叶片金属疲劳。人会感到疲劳，金属也会疲劳，每分钟几万转，转得时间久了，就受不了了，会裂会碎，航空发动机的各个部件都有类似问题。散裂中子源可以用于航空航天发动机叶片应力测试，以探测和预防金属疲劳。
你知道分布于深海或陆域永久冻土中的可燃冰吗？要想安全地开采、储藏、运输和利用可燃冰，就需要了解它的性质；要想了解它的性质，就需要先了解它的结构。可燃冰是甲烷与水在高压低温条件下形成的结晶物质，科学家必须将它放在很厚的金属容器内，模拟千米水深下的巨大压力，才能研究其结构。中子对组成可燃冰的碳氢化合物最敏感，所以通过散裂中子源就可以隔着厚厚的金属容器（原位地？）研究可燃冰的结构和性质。
研究电动汽车的电池性能，研究催化剂的作用机理，研究芯片的单粒子效应，研究高温超导材料的自旋涨落，在这些领域，散裂中子源都能发挥关键作用。
在广东省东莞市松山湖科学城，紧邻高速公路，有一片依山而建、造型独特的建筑群，山坡上矗立着“中国散裂中子源”几个大字。中国散裂中子源（CSNS）是我国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源，为国际前沿基础科学研究和国家发展战略诸多领域提供先进的中子散射研究和应用的大型交叉平台。它的成功建设，填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，技术和综合性能进入国际同类装置先进行列，显著提升了我国在相关领域的技术水平和自主创新能力，
中子是探索微观世界的理想“探针”
过去的20世纪，是名副其实的物理学的世纪。物理学在过去的一个世纪经历了三次大的跨越，从原子物理深入到原子核物理，再深入到粒子物理。100多年前，科学家发现原子由原子核和电子组成，后来又发现原子核由质子和中子组成，从20世纪60年代开始，科学家逐步发现组成原子核的质子和中子是由更深层次的粒子——夸克组成的。
应该说，这三次大的跨越产生丰硕成果，在不断深入到物质微观结构新的层次的研究过程中，取得了物质结构理论的伟大跨越，并且带动重大技术发明，转换成为巨大的生产力。我们现在用的半导体、手机、计算机、激光、电视，以及GPS（全球定位系统）导航，都是以20世纪物理学的研究成果为基础发展起来的。
如何去研究微观结构呢？我们在中学时可以用显微镜来看花粉、看细胞等。如果想看再精细一些的结构，可以用电子显微镜。更精细的，就要用到我们称之为超级显微镜的散裂中子源、同步辐射光源等。散裂中子源就像一台超级显微镜，以中子为“探针”，看穿材料的微观结构。
中子具备一些特性，如不带电，但是有磁矩；能够探测原子核的位置，探测同步辐射所不敏感的轻元素，比如碳、氢、氧、氮等元素的位置；穿透能力非常强，能够用来原位研究大的工程部件的残余应力和金属疲劳；可以探测物质的动态过程；等等。因此，它被科学家视作探索微观世界的理想“探针”。当中子与被研究对象的原子核相互作用而改变运动方向时，科学家通过分析散射中子的轨迹、能量和动量的变化，就能反推出物质的结构。这就好像我们不断往一张看不见的网上扔弹珠，有的弹珠穿网而过，有的则打在网上，弹向不同的角度。如果记录下这些弹珠的运动轨迹，就能大致推测出网的形状。如果弹珠扔得够多、够密、够强，就能把这张网精确地描绘出来，甚至推断其材质。
重大科技基础设施是国之重器、科技利器
中子其实在我们周围到处都存在，原子核内有一半都是中子，但是这些中子都被束缚在了原子核内，无法自由运动。我们要研究材料的性质，就需要自由的中子。自由的中子从何而来？这就需要专门产生大量中子的装置，可以通俗地称之为产生中子的“工厂”。这样的“工厂”有两类：一类是反应堆中子源，比如在北京房山的中国原子能研究院建设的中国先进反应堆，就是通过反应堆来产生中子；还有一类就是散裂中子源。它是通过高能质子去轰击重金属的靶，发生散裂效应，从而产生高通量短脉冲中子束流。国际上的先进中子源正在逐步从反应堆转向散裂中子源，因为其性能更好，而且安全性高。
20 世纪物理学对科学技术的另一大贡献就是产生了大科学装置。因为物理学的基本规律是，研究越小的尺度，需要越高的能量。随着物质结构的研究深入到原子核和粒子的层次，研究物质微观结构的尺度越来越小，就需要使用能量越来越高的粒子。加速器可以产生高能量粒子，加速器做得越大，能量有可能越高，于是催生了各种基于大型加速器的重大科技基础设施，也称大科学装置。
重大科技基础设施是国家基础设施的重要组成部分，但它不同于一般的基本建设项目，具有鲜明的科学和工程双重属性，其设计、研制及相关技术和工艺具有综合性、复杂性、先进性，有时具有唯一性，知识创新和科学成果产出丰硕，技术溢出、人才集聚效益非常显著，因此往往成为国家创新高地的核心要素。同时，它也不同于一般的科研仪器中心或者平台，而是需要自行设计研制专用的设备，体量大、投资大、能力强、技术复杂先进、生命周期长，具有明确的科学目标，体现了国家意志，反映了国家需求，是“国之重器”“科技利器”。
散裂中子源，就是这样的国之重器。
经过相关领域科学家的深入讨论和研究，散裂中子源被列入国家“十一五”的大科学装置建设计划。2011年10月，中国散裂中子源装置在广东东莞奠基。一期建设内容包括一台8千万电子伏特的直线加速器、一台16亿电子伏特快循环同步加速器、一个靶站，以及3台供科学实验用的中子散射谱仪。其工作原理是将质子加速到16亿电子伏特，速度相当于0.92倍光速，把质子束当成“子弹”，去轰击重金属靶。金属靶的原子核被撞击出质子和中子，科学家便通过特殊的装置“收集”中子，开展各种实验。
散裂中子源装置不仅极为庞大，而且部件繁多，工艺极其复杂，制造和安装过程克服了重重困难。例如快循环同步加速器的25Hz交流磁铁在我国属首次研制。针对磁铁磁场饱和，创新性地提出了谐振电源的谐波补偿方法，解决了多台磁铁之间的磁场同步问题，其效果优于国外散裂中子源。装置各项设备的批量生产在全国近百家合作单位完成，许多设备的研制达到国内外先进水平，设备国产化率达到90％以上。2017年8月，中国散裂中子源首次打靶就成功获得完全符合预期的中子束流。2018年，中国散裂中子源按指标、按工期、高质量地完成了工程建设任务，从此实现了强流质子加速器和中子散射领域的重大跨越，为物质科学、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术研发提供强有力的支撑。
提供先进的中子散射研究和应用的大型交叉平台
自中国散裂中子源通过国家验收、进入正式运行阶段以来，装置运行稳定可靠高效，打靶束流功率已达到140kW。装置目前已完成10轮开放，每年运行时间超过5000小时，运行时间和效率都处于国际同类装置的领先水平。目前已完成了超过1300个科研课题，取得了一批重要科学成果。相关课题涵盖了新能源、物理、材料科学技术、资源环境、化学化工等多个前沿交叉和高科技研发领域，如锂离子电池、太阳能电池结构、稀土磁性、新型高温超导、量子材料，功能薄膜、高强合金、芯片单粒子效应等，特别为国家诸多领域的战略需求和高科技产业提供了关键的研究平台。在粤港澳大湾区政府的支持下，散裂中子源建设了8台合作谱仪，已经陆续投入运行。
典型的成果包括：对国产高铁车轮进行内部深度残余应力测量，给出了高铁车轮完整的应力数据，对高铁安全性和提速具有重要意义；利用中子的穿透能力和对复杂组分的定量识别能力，研究创世界纪录的超强且韧性优良的超级钢，准确测量了超级配分钢中位错密度演化，发现了新的位错机理；对锂电池的原位中子实时原位测量，研究汽车锂电池的结构特征和锂离子在充放电循环过程中的输运行为，对锂电池性能提高提供重要数据支撑。
谱仪是利用中子散射来测量物质的微观结构和动力学的装置，如果将散裂中子源看作一台“超级显微镜”，那么，谱仪就是这台显微镜的镜头。可用的镜头种类越多，科学家们探索微观世界就越得心应手。大气中子谱仪是散裂中子源2023年新运行的一台谱仪，它的出现让我们能够加速模拟宇宙射线打到大气层产生的中子辐照环境。这一创新性的技术手段，不仅为解决电子元器件在大气层内与地面的失效问题提供了重要手段，更为飞机适航论证和航空器的安全提供了关键的研究平台。
散裂中子源积极推动相关技术成果转化。硼中子靶向肿瘤治疗（BNCT），是一种新的二元细胞级精准治疗癌症技术，它是利用中国散裂中子源发展起来的技术所研制的。硼中子俘获治疗项目作为推进散裂中子源技术产业化的第一个项目，临床设备在东莞市人民医院已完成安装和调试，即将开始临床试验。
中国散裂中子源二期工程于2024年1月正式启动。二期工程建成后，中国散裂中子源的谱仪数量将增加到20台左右，加速器打靶束流功率将从目前运行的140千瓦提高到500千瓦。新的谱仪和实验终端建成后，中国散裂中子源的设备研究能力将大幅提升，实验精度和速度将大大提高，能够测量更小的样品、研究更快的动态过程，为前沿科学研究、国家重大需求和国民经济发展提供更先进的研究平台。
2017年8月，广东省委、省政府提出了在中国散裂中子源周边建设先进同步辐射光源的构想。从世界范围来看，同步辐射光源和散裂中子源是两个具有互补作用的大科学装置，两者建设在一处，能够更好地满足物质结构、材料性质、生命科学等各方面科研需求，更好地开展世界前沿科技研究。已建成的散裂中子源和规划建设中的南方先进光源，将形成多种研究手段互补的大科学装置集群，这对于粤港澳大湾区综合性国家科学中心的建设也具有十分重要的意义。
中国散裂中子源的建成恰逢“大科学装置的盛世”，肩负发展中国中子散射研究和应用的重任，更带来了粤港澳大湾区大科学装置的跨越式发展，为湾区综合性国家科学中心提供关键的科学平台，建设国家创新发展的重要引擎，为实现高水平科技自立自强作出贡献。
（作者为中国科学院院士、中国散裂中子源工程指挥部总指挥）