測(cè)試飛機(jī)“疲憊”的“探針”

秋凡

當(dāng)我們無精打采，反應(yīng)遲鈍，或頭部、頸部僵直不適，眼睛發(fā)酸、發(fā)脹時(shí)，憑著自身感知，我們會(huì)迅速做出判斷，這是身體“零件”發(fā)出的信號(hào)：你累了，需要及時(shí)休息。那么，高速運(yùn)作的飛機(jī)、高鐵等大型交通運(yùn)輸工具，我們又如何探知其是否勞累、老化呢？1998年6月，德國一輛時(shí)速約200千米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)，事故的原因正是車輪因材料疲勞而發(fā)生爆裂。

其實(shí)，無論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼等，都有自身的使用壽命，而決定使用壽命的正是應(yīng)力。什么是應(yīng)力？它是指單位面積上所承受的附加內(nèi)力。它看不見、摸不著，但決定了飛機(jī)、高鐵等大型交通運(yùn)輸工具的使用壽命。

研究人員對(duì)一些材料進(jìn)行拉伸或壓縮，達(dá)到某種程度時(shí)它們就會(huì)裂斷。這是因?yàn)椴牧显谏a(chǎn)或加工時(shí)所受的力存在于材料之中，這種力被稱為殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力“封印”在材料里，人的肉眼是看不到的。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)可以幫助測(cè)量大型工具內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變——那就是散裂中子源。通過散裂中子源的實(shí)驗(yàn)，研究人員便可知道檢測(cè)的樣品中“封印”了多少殘余應(yīng)力，還可以通過模擬實(shí)驗(yàn)，得知材料所能承受的應(yīng)力極限，從而預(yù)知材料的使用壽命。

特殊的“超級(jí)顯微鏡”

我們知道X射線能“拍攝”人體并產(chǎn)生醫(yī)學(xué)影像，而在材料學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，科學(xué)家們也希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)。散裂中子源就是一個(gè)利用中子來探索微觀世界的工具，它用高能質(zhì)子撞擊重金屬靶，產(chǎn)生極為短暫的高強(qiáng)度中子脈沖，就像一臺(tái)超級(jí)顯微鏡，可以供科學(xué)家研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等微觀結(jié)構(gòu)。

要了解散裂中子源的“超能力”，就得從中子的特性說起。中子是由英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克在1932年發(fā)現(xiàn)的，作為構(gòu)成原子核的基本粒子之一，中子在宇宙中大量存在，構(gòu)成了一半以上的可見物質(zhì)。打個(gè)比方，假如你前面有一張很大的網(wǎng)，你想知道這個(gè)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，你可以拋出很多個(gè)彈珠，有的彈珠會(huì)穿過這個(gè)網(wǎng)的孔，有的彈珠和網(wǎng)線發(fā)生碰撞后，會(huì)飛往不同方向。如果能夠把所有彈珠的軌跡都測(cè)量清楚，通過計(jì)算，便可以反推出網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)彈珠，相當(dāng)于中子，它打到網(wǎng)上向各個(gè)方向散開，即中子散射過程。網(wǎng)則是科學(xué)家研究的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。科學(xué)家正是通過測(cè)量散射出來的中子能量和動(dòng)量的變化，來研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

但由于衰變，自由中子十分不穩(wěn)定，平均壽命不到15分鐘，無法直接被用來研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。因此，一種能獲得高性能中子的大科學(xué)裝置——散裂中子源便誕生了。

“中國制造”散裂中子源

經(jīng)過10年的調(diào)研、籌備之后，中國散裂中子源在廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)開工建設(shè)，它是迄今為止我國單項(xiàng)投資規(guī)模最大的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。它的預(yù)期壽命超過30年，由一臺(tái)80兆的電子伏特強(qiáng)流負(fù)氫離子直線加速器、一臺(tái)束流動(dòng)能為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、一個(gè)靶站和20臺(tái)中子譜儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)施，以及相關(guān)配套設(shè)施組成。整個(gè)裝置建在距離地面13～18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(gè)足球場(chǎng)那么大。

中國散裂中子源項(xiàng)目對(duì)所用設(shè)備的性能和工藝有著嚴(yán)格要求，通過不斷改進(jìn)，中國散裂中子設(shè)備國產(chǎn)率最終達(dá)到96%以上。中國散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，動(dòng)力源來自電能，輻射控制在環(huán)保安全范圍內(nèi)。專家表示，在散裂中子源附近居住一年，居民所受的輻射量僅相當(dāng)于乘坐一次長途飛機(jī)。

散裂中子源如何工作

散裂中子源是如何工作的呢？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)子束積累到一定程度后，再注入環(huán)形加速器繼續(xù)加速，達(dá)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(gè)質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20～30個(gè)中子。在實(shí)際反應(yīng)中，這個(gè)瞬間形成的高能中子束流脈沖不僅時(shí)間短，而且強(qiáng)度大，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(yàn)樣品的原子碰撞。中子譜儀會(huì)記錄下碰撞后中子的運(yùn)動(dòng)軌跡，供用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

散裂中子源的廣泛用途

散裂中子源不僅在應(yīng)力測(cè)量方面有突出表現(xiàn)，還是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想“探針”之一。通過散裂中子源項(xiàng)目發(fā)展起來的強(qiáng)流質(zhì)子加速器，用于航天器件輻照效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)研究（包括材料的輻照損傷與電子器件的單粒子反轉(zhuǎn)效應(yīng)等），其研究成果對(duì)于提高航天器件的壽命與可靠性有重要意義。

制藥行業(yè)同樣需要用到這項(xiàng)技術(shù)。藥物成分主要是從某些有機(jī)溶劑中提取的，而有機(jī)溶劑的易揮發(fā)和易燃性又牽引出安全生產(chǎn)的問題，最終導(dǎo)致制藥化學(xué)廢棄物的處理成本很高。研究人員通過中子散射技術(shù)，尋找到新手段，使化學(xué)物更容易處理，同時(shí)減少廢棄物的產(chǎn)生，從而大大降低了廢棄物的處理成本。

此外，散裂中子源產(chǎn)生的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究，為國內(nèi)外醫(yī)療界服務(wù)。2017年8月11日，中科院高能物理研究所和國內(nèi)某集團(tuán)簽署了中國散裂中子源首個(gè)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目——硼中子俘獲治療項(xiàng)目。硼中子俘獲治療是一種利用中子射線照射進(jìn)行腫瘤治療的技術(shù)，它能夠有效殺死癌細(xì)胞，同時(shí)不損傷周邊組織，具有安全性高、定位精確、價(jià)格相對(duì)低廉等特點(diǎn)，該項(xiàng)目有望在未來5年內(nèi)開啟全國治療腫瘤疾病的新時(shí)代。

2017年9月，中國散裂中子源輸出了第一束實(shí)驗(yàn)中子束，邁出了我國重大科學(xué)裝置運(yùn)作的關(guān)鍵一步。2018年，中國散裂中子源通過驗(yàn)收后，將充分發(fā)揮其在材料科學(xué)、生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理和化學(xué)等領(lǐng)域的作用，為用戶提供高性能、安全、可靠的研究平臺(tái)。endprint