四次被授予诺贝尔奖：中子的发现和应用是近代最重要的科技成就之一
中子是构成物质世界的基本粒子之一，其概念是由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福在1920年提出。1932年由詹姆斯.查德威克用α粒子轰击实验得到证实，并因此于1935年获得诺贝尔奖。后续，关于中子科学技术的研究，3项成果又获颁诺贝尔奖。分别表彰：1938年恩利克.费米发现中子辐照产生新放射性元素；1944年奥托.哈恩发现中子诱发重核裂变；1994年伯特伦.布罗克豪斯、克利福德.沙尔在中子散射技术方面做出的开创性贡献。
中子科学技术的发展，对人类文明和世界发展产生了深远影响，上世纪催生了一批影响世界发展格局的重器。进入新世纪后，其与现代信息技术、先进制造技术、生物技术、材料技术等学科交叉，又造就了中子医疗、中子工业检测等一系列战略性新兴技术。
中子源是支撑前沿科技创新的重要利器
自由中子是不稳定的，平均寿命只有约15分钟，无法长期储存，需要有适当的产生方法。中子源就是生产中子的“工厂”，现有的中子源类型，主要包括放射性同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。
放射性同位素中子源主要包括自发裂变和二次源两类。现有主要为二次源，其体积小，制备简单，使用方便，但中子源强低。如（α，n）中子源，（γ，n）中子源等。
加速器中子源是利用加速器加速带电粒子轰击适当的靶核，通过核反应产生中子，最常用的核反应有（d，n），（p，n），（γ，n）等，其中子强度比放射性同位素中子源高，可在宽能谱区间上获得特定单能中子。
反应堆中子源是利用原子核裂变反应堆产生大量中子，在反应堆内设计辐照孔道或在壁上开孔，即可利用中子实现特定目标。
中子源及其科学实验平台是前沿科技创新的利器。随着科技的进步，人类对于中子的了解和掌控能力越来越高，中子科学的发展正在迈向新的水平，对于中子源的要求也提高到了更高水平，主要体现在：
（1）满足人类对清洁可持续能源的更高需求。中子与重原子核的反应，在不产生大量空气污染物和温室气体的前提下，能释放大量的能量，核能目前已是世界能源结构中的重要组成部分。随着发展需求的不断提高，先进核能系统的开发已经进入关键阶段，与传统核能系统相比，先进核能系统的中子能量和通量更高，需要有能够稳态产生高能、高通量中子的中子源实验平台开展基础科学研究和工程验证。
（2）满足人类对物质世界不断探索的更高需求。中子是研究物质结构的理想探针，其可通过与物质的散射、吸收等反应，分辨物质的结构和成分等要素。其既能探索微观物质世界的奥秘，比如应用于生命科学、材料科学等，也能够充当宏观物件检测的“火眼金睛”，比如应用于工业无损检测、石油测井等。
（3）满足人类对于物质世界不断改造的更高需求。中子能够与原子核相互作用的特性，使其成为微观物质世界改造的“手术刀”。中子与癌细胞里的含硼化合物作用，可以杀死癌细胞实现中子治疗。中子与特定元素反应，可以大量生产放射性同位素或者其他需求的人造核素。中子与半导体中的元素反应，可以实现半导体器件的元素掺杂。中子与作物种子中的元素反应，可以实现辐照育种等。
中子源是战略新兴产业发展的“孵化母机”
作为产生中子的源头，中子源是孕育中子技术战略新兴产业的“母机”。当前，中子技术新兴产业已经进入爆发式发展阶段，在中子癌症治疗、工业无损检测、材料成分精密检测、资源勘探等领域展现出蓬勃发展趋势。
（1）中子在癌症治疗中的应用
癌症，一个出现越来越频繁且让人们谈之色变的词汇，被冠以绝症之称，成为了人们的第一杀手。据近期国家癌症中心发布了最新统计数据，我国平均每天有超过1.11万人被诊断为新发癌症，有将近6600人因癌症死亡。
中子治疗是一种利用中子与癌细胞中的含硼靶向药物作用直接杀死癌细胞的治疗技术，原理如图1所示。在相同照射剂量条件下，中子治疗的效果是x射线的8倍，质子的7倍，重离子的2.5倍。中子治疗兼具精准放疗和靶向药物的双重优势，被称为继手术、传统放疗、抗癌药物、免疫疗法之后的“第五疗法”。中子治疗可用于恶性原发性脑肿瘤、恶性黑色素瘤、头颈部肿瘤、局部复发性乳腺癌等多种疾病治疗，特别适用于治疗有局部扩散、浸润或者无法用其他常规手段控制和处理的癌症。
图1 中子治疗癌症原理图
中子治疗成为国际新兴高科技产业发展的热点。目前日本中子治疗已经投入临床应用，并被纳入日本医保体系。美国、日本、俄罗斯、意大利、比利时、英国、芬兰、韩国等发达国家把中子治疗作为战略性新兴产业重点支持。
图2 日本南东北医院的中子治疗装置
（2）中子在工业无损检测中的应用
相比其他射线，中子在重元素中的穿透能力更强，且对轻元素十分敏感。中子照相技术利用中子与原子核的相互作用成像，在穿透能力，轻元素分辨能力等方面有其他无损检测方法所不具备的独特优势。在许多国家，特别是在工业发达国家中，中子照相技术已在航天、航空、化工冶金、核工业等部门的产品质量控制和科学研究中得到了广泛应用。
图3中子照相原理图
例如，中子照相是航空发动机耐高温单晶涡轮叶片最重要的无损检测手段之一，尤其是针对先进发动机。涡轮叶片外壳由镍基合金制成，但是在铸造过程中，里面的散热孔道可能残留未脱离干净的氧化铝型芯，导致散热孔道堵塞，不仅影响发动机性能，甚至会引发严重事故。为检测涡轮叶片中的微量残芯，中子照相检测已成为美国发动机叶片检测的标准流程。
图4 中子照相装置示意图
（3）中子在材料成分精密检测中应用
中子成分检测是以一定能量和流强的中子轰击试样中的元素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度，进行物质中元素的定性和定量分析。中子成分检测可对元素周期表中的80余种元素进行分析，灵敏度和精度高，可实现多元素同时分析。其原理如图5所示。
图5 中子成分检测原理图
中子成分检测可广泛应用于水泥、煤炭、冶金等工业物料的成分检测、公共场所（如机场、地铁、海关等）毒品爆炸物等危险品安检、土壤和水体污染核素监测、生物样品成分检测、地质勘探、地雷检测、考古、核材料与放射性废物检测等，是环境科学、生命科学、新材料等领域基础研究的重要检测手段，也是具有广泛发展前景的战略新兴产业。我国及国际中子成分检测设备市场目前均处于加速发展阶段，具有巨大的市场潜力。
图6 中子成分检测技术对航空货物检测的效果
（4）中子在矿藏勘探中的应用
石油作为一种重要战略物资，一直受到全球关注。近期，随着俄乌冲突加剧，国际油价持续上涨，油气出口大国的“能源权利”显著提升。据国家统计局、国家海关总署数据，2021年我国原油消费量7.10亿吨，但产量仅为1.99亿吨，进口达5.13亿吨，对外依存度高达72%，产量远不能满足国内需求。石油对外依存度过高，一旦石油供应中断，无论是对百姓的日常生活，还是国家的能源安全都将产生重大影响。
中子测井是以中子为“探针“，利用中子与地层中的核素发生相互作用，寻找藏在地下几千米处的石油。中子测井现已广泛应用于油气藏的勘探与开发，并贯穿于整个过程。在勘探过程中，中子测井用于寻找油气藏，判断地下油气的分布、估算油气的储量；在开采过程中，中子测井用于监测井下储层的剩余油量、油水界面等动态信息，提高油气产量和采收率。中子测井是一种“地层DNA”检测技术，通过中子与地层元素的原子核发生反应，可以精确测量地层元素含量，是复杂岩性地层资源勘探的杀手锏。随着近年来中子技术的不断发展，中子测井技术越来越成熟，不仅在油气勘探开采领域发挥出越来越重要的作用，而且在煤炭、铀矿等固体矿藏勘探开采中的应用也越来越广。
图7 中子测井原理图
从探测物质微观结构、医疗健康、人造核素再到先进核能发展，中子源都被广泛应用。中子源科学应用的领域包括物理学、化学、生命科学、材料科学、医学等诸多领域。可以说，中子科学及其应用已发展成一个系统化的领域和学科，也是一个具有广阔发展前景的战略新兴产业，对国家社会经济和国防战略具有重要的意义。