測試飛機“疲憊”的“探針”

秋凡

當我們無精打采，反應遲鈍，或頭部、頸部僵直不適，眼睛發酸、發脹時，憑著自身感知，我們會迅速作出判斷，這是身體“零件”發出的信號：你累了，需要及時休息。那么，高速運作的飛機、高鐵等大型交通運輸工具，我們又如何探知其是否勞累、老化呢？

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

研究人員對一些材料進行拉伸或壓縮，達到某種程度時它們就會裂斷。這是因為材料在生產或加工時所受的力存在于材料之中，這種力被稱為殘余應力。這種應力“封印”在材料里，人的肉眼是看不到的。科學家們發現，一種先進的科學技術可以幫助測量大型工具內部的應力和應變——那就是散裂中子源。通過散裂中子源的實驗，研究人員便可知道檢測的樣品中“封印”了多少殘余應力，還可以通過模擬實驗，得知材料所能承受的應力極限，從而預知材料的使用壽命。

特殊的“超級顯微鏡”

我們知道X射線能“拍攝”人體并產生醫學影像，而在材料學、生命科學等領域，科學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構。散裂中子源就是一個利用中子來探索微觀世界的工具，它用高能質子撞擊重金屬靶，產生極為短暫的高強度中子脈沖，就像一臺超級顯微鏡，可以供科學家研究DNA、結晶材料、聚合物等微觀結構。

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家詹姆斯·查德威克在1932年發現的。作為構成原子核的基本粒子之一，中子在宇宙中大量存在，構成了一半以上的可見物質。打個比方，假如你前面有一張很大的網，你想知道這個網的結構，你可以拋出很多個彈珠，有的彈珠會穿過這個網的孔，有的彈珠和網線發生碰撞后，會飛往不同方向。如果能夠把所有彈珠的軌跡都測量清楚，通過計算，便可以反推出網的結構。這個彈珠，相當于中子，它打到網上向各個方向散開，即中子散射過程。網則是科學家研究的物質的結構。科學家正是通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，來研究物質的結構和運動規律。

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

“中國制造”散裂中子源

經過10年的調研、籌備之后，中國散裂中子源在廣東省東莞市大朗鎮開工建設，它是迄今為止我國單項投資規模最大的國家重大科技基礎設施。它的預期壽命超過30年，由一臺80兆的電子伏特強流負氫離子直線加速器、一臺束流動能為16億電子伏特的快循環質子同步加速器、一個靶站和20臺中子譜儀等實驗設施，以及相關配套設施組成。整個裝置建在距離地面13～18米的地下，以屏蔽輻射。其中，直線加速器隧道長240米，環形加速器周長228米，有半個足球場那么大。

中國散裂中子源項目對所用設備的性能和工藝有著嚴格要求，通過不斷改進，中國散裂中子設備國產率最終達到96%以上。中國散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，動力源來自電能，輻射控制在環保安全范圍內。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于乘坐一次長途飛機。

2017年9月，中國散裂中子源輸出了第一束實驗中子束，邁出了我國重大科學裝置運作的關鍵一步。2018年，中國散裂中子源通過驗收后，將充分發揮其在材料科學、生命科學、凝聚態物理和化學等領域的作用，為用戶提供高性能、安全、可靠的研究平臺。

（選自2018年01期《知識窗》，本刊有刪改）