【儀商訊】1998年的6月，德國一輛以時速約200公里運行的城際快車意外出軌，導(dǎo)致101名乘客死亡，88人重傷。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，意外的元兇是老化的車輪和因材料疲勞所產(chǎn)生的裂紋。其實，無論是高鐵的輪軌，還是飛機的渦輪、機翼等，里面都有應(yīng)力——它看不見摸不著，但它決定了飛機、高鐵等大部件的安全甚至壽命。如何把它研究清楚，成了從根本上避免類似災(zāi)難再次發(fā)生的關(guān)鍵。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種先進的科技平臺可以幫助他們測量大部件內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變——那就是散裂中子源。其中，中子作為組成原子核的基本粒子之一，中子不帶電且有磁矩、穿透性強、非破壞性等特質(zhì)。它不僅在應(yīng)力測量方面有突出表現(xiàn)，還是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)性質(zhì)的理想“探針”之一。
散裂中子源（spallation neutron source）提供中子，為眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究提供了一種先進的研究工具。正在建設(shè)的中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source—CSNS），位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，建成后將成為全世界第四臺脈沖式散裂中子源。今年9月，中國散裂中子源將輸出第一束實驗中子束，邁出這項重大科學(xué)裝置運作的標(biāo)志性一步。
1 看穿材料微觀結(jié)構(gòu)的“超級顯微鏡”
X射線能“拍攝”人體的醫(yī)學(xué)影像。而在材料學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，科學(xué)家們一直希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線一樣拍攝材料的微觀結(jié)構(gòu)。在科學(xué)家眼中，散裂中子源就是一臺這樣的超級顯微鏡，通過和樣品發(fā)生相互作用，研究樣品的“DNA”，即晶體材料、聚合物等微觀結(jié)構(gòu)。
“假如你前面有一張很大的網(wǎng)，又想知道這個網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，你可以拋出很多個彈珠，有的彈珠會穿過這個網(wǎng)的孔，有的彈珠和網(wǎng)（線）發(fā)生碰撞后，會飛向不同方向。如果能夠把所有彈珠的軌跡都測量清楚，通過計算，便可以反推出網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。”中國科學(xué)院高能物理研究所的陳和生院士在中科院制作的科普視頻中如此通俗地比喻。
這個彈珠，相當(dāng)于中子。它打到網(wǎng)上向各個方向散開，即中子散射過程。網(wǎng)，則是大家希望研究的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。科學(xué)家正是通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律。
散裂中子源工程副經(jīng)理陳元柏研究員說，每分鐘就有20個中子打在手上。但由于衰變，自由中子十分不穩(wěn)定，平均壽命不到15分鐘，無法直接被用來探索材料的微觀結(jié)構(gòu)。因此一種能獲得高性能中子的大科學(xué)裝置——散裂中子源應(yīng)運而生。
正在東莞建設(shè)的中國散裂中子源，由一臺80兆電子福特強流負(fù)氫離子直線加速器，一臺束流動能為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器，一個靶站，和20臺（一期3臺）中子譜儀等科學(xué)實驗設(shè)施以及相關(guān)配套設(shè)施組成。整個裝置建在離地面13米—18米的地下，以屏蔽輻射。其中直線加速器隧道長240米，環(huán)形加速器周長228米，有半個足球場那么大。
散裂中子源究竟是如何工作的呢？陳元柏說，在散裂中子源的源頭，負(fù)氫離子產(chǎn)生后，在直線加速器里加速，經(jīng)過剝離掉電子轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，質(zhì)子束積累到足夠流強后，再注入環(huán)形加速器繼續(xù)加速，達到16億電子伏的能量后，從環(huán)形加速器引出，經(jīng)傳輸線打向金屬鎢靶，金屬鎢原子核在高能質(zhì)子的轟擊下，發(fā)生散裂反應(yīng)釋放出中子。
一個質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20—30個中子。陳元柏告訴南方日報記者，在實際反應(yīng)中，這個瞬間形成的高能中子束流脈沖非常短又非常強，要經(jīng)過慢化器慢化處理后，通過中子導(dǎo)管引向各種研究用的譜儀，才能讓中子與試驗樣品的原子碰撞。中子譜儀會記錄下碰撞后中子的運動軌跡，供用戶進行實驗研究。
就大眾關(guān)心的環(huán)境安全問題，陳和生院士說，中國散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，動力來自電能，輻射控制在環(huán)保安全范圍內(nèi)。“在散裂中子源附近居住1年，居民受到的輻射量僅相當(dāng)于乘1次長途飛機?！?/span>
2 評估材料“內(nèi)傷” 預(yù)測材料壽命
“對一些材料進行拉伸，拉到某個程度會斷。為什么會斷？因為，很多材料在加工或者生產(chǎn)時會受力，這個力存在于材料中，這就是殘余應(yīng)力”。東莞材料基因高等理工研究院院長張書彥說，“這就像把應(yīng)力‘封印’在材料里，因為肉眼看不到，因此我們就需要通過實驗來檢測材料的‘內(nèi)傷’的程度。”
