■ 陶舉洲 文
中子散射少見地匯聚著現代物理的三個主要領域：凝聚態、粒子物理和原子與光學物理。它的基本原理植根於凝聚態物理，技術手段依賴實驗粒子物理，實驗方法類似原子與光學物理。
中子散射技術的基本原理是在20世紀50年代確立的，60年代在研究用原子能反應堆上廣泛應用，70年代末期在新一代基於加速器的脈衝中子源上得到擴展。21世紀以來，美國（SNS）、日本（J-Parc/MLF）、中國（CSNS）和歐洲（ESS）更基於這一技術建成和正在建設全球一些最大的科學基礎設施。這一技術領域實質上是多個科學技術源流的匯聚。
中子是原子能的主角。1932年發現之後的數十年間，已被用來實現各種元素和同位素轉換（核嬗變）。1938年核裂變發現，之後很快鏈式反應發現，1942年第一個人工核反應堆芝加哥CP-1實現，1945年首次核爆，人類進入原子時代。
1953年美國啟動「和平原子」（Atoms for Peace）計劃，試圖通過建設核電與科研用原子反應堆以開展原子能的和平利用來緩和世界對核武器的廣泛恐懼。
至2012年，全球約11%的電力由核反應（裂變）堆產生（相應的水電比例約為16%）；圍繞中子的產生、控制、探測和屏蔽而產生的科研與技術進步，也成為核科學與技術的核心內容。
物質世界的四種基本作用模式：重力、電磁場、強相互作用、弱相互作用。在中子和物質作用時有著各自獨特和有趣的表現，更驚奇的是都可以相對容易地進行宏觀觀測！
從實驗角度，中子束和實驗樣品「相遇」，會發生吸收、散射、衰減（前兩者的綜合結果）、裂變（包含特定同位素的特殊樣品）。樣品中的每個基本粒子都會與中子束作用，各自產生作為物質波的散射中子波；基本粒子間又存在各種相互作用，決定著散射波之間的相互量子幹涉。
觀測這一現象，利用已知的中子與單個原子間相互作用（通常用原子的散射長度表徵）來研究未知的物質內部原子間相互作用，就是在原子尺度上研究氣體，凝聚態體系和材料；利用已知物質如中子光學器件內部的基本粒子間相互作用（以中子光學器件為代表）來研究未知的中子與基本粒子或場之間的相互作用，中子則成為研究重力場和量子效應等基本物理的獨特手段。
藉由各種基本粒子如電子、光子和質子與原子核反應而非核裂變同樣可以產生中子。
隨著加速器物理與工程的進步，20世紀70年代後期以來脈衝強流質子加速器被發展應用於產生中子束，至90年代這一技術達到成熟。雖然脈衝中子源依賴於造價昂貴的強流加速器，技術更為複雜的中子探測包括後端快電子學技術、和更高要求的計算處理能力，但作為射線裝置而非原子反應堆，在前期投資和後期退役方面更具優勢。
隨著20世紀50年代以來興建的諸多研究用反應堆逐步退役，脈衝中子散射技術得到大規模推廣。
作為中國散裂中子源（CSNS）首批建設的三套譜儀之一，小角散射譜儀用於探測物質體系在1~100nm尺度內的微觀和介觀結構。
它的實驗應用範圍將涵蓋化學、物理、生物、材料、地質等廣泛學科，服務於國家能源、環境、生物和新材料等諸多高科技研發領域。中國散裂中子源小角散射譜儀建成後，能為諸多科學探索與技術研發工作提供必需的實驗方法及其技術手段。
下面的圖片為小角中子散射的應用示例，圖片源自相應公開文獻或公共交流：
研究原油中瀝青質聚集現象以緩解油管堵塞（英國散裂中子源ISIS）
直接觀測高溫超導體塊體中的磁通渦旋結構與形貌（美國NIST反應堆源）
作為綠色化學載體的低共熔溶劑中的自組織現象（澳大利亞OPAL反應堆源）
測量沉積巖的表面粗化與分形形貌（美國ORNL反應堆源）
牛血紅蛋白內不同尺度的亞結構可以被小角中子散射同時觀測（日本北海道大學電子加速器中子源）
鎳鈦形狀記憶合金中的納米顆粒相析出直接影響材料性能（法國ILL反應堆源）
來源：節選自陶舉洲文章《中國散裂中子源小角散射譜儀》，發表於《現代物理知識》，2016年 28卷 1期。閱讀原文請點擊文末左下角「閱讀原文」。