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飛機“累了”？用中子“探針”測測看

2017-09-04 14:42:54 作者：本網整理來源：南方日報分享至：

中國散裂中子源園區航拍圖

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，導致101名乘客死亡，88人重傷。經調查發現，意外的元兇是老化的車輪和因材料疲勞所產生的裂紋。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難再次發生的關鍵。

科學家們發現，一種先進的科技平臺可以幫助他們測量大部件內部的應力和應變——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。它不僅在應力測量方面有突出表現，還是研究物質結構及其動力學性質的理想“探針”之一。

散裂中子源（spallation neutron source）提供中子，為眾多學科領域的研究提供了一種先進的研究工具。正在建設的中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source—CSNS），位于廣東省東莞市大朗鎮，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，邁出這項重大科學裝置運作的標志性一步。

1 看穿材料微觀結構的“超級顯微鏡”

X射線能“拍攝”人體的醫學影像。而在材料學、生命科學等領域，科學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構。在科學家眼中，散裂中子源就是一臺這樣的超級顯微鏡，通過和樣品發生相互作用，研究樣品的“DNA”，即晶體材料、聚合物等微觀結構。

“假如你前面有一張很大的網，又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，便可以反推出網的結構。”中國科學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，則是大家希望研究的物質的結構。科學家正是通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，研究物質的結構和運動規律。

散裂中子源工程副經理陳元柏研究員說，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構。因此一種能獲得高性能中子的大科學裝置——散裂中子源應運而生。

正在東莞建設的中國散裂中子源，由一臺80兆電子福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（一期3臺）中子譜儀等科學實驗設施以及相關配套設施組成。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，負氫離子產生后，在直線加速器里加速，經過剝離掉電子轉化成質子，質子束積累到足夠流強后，再注入環形加速器繼續加速，達到16億電子伏的能量后，從環形加速器引出，經傳輸線打向金屬鎢靶，金屬鎢原子核在高能質子的轟擊下，發生散裂反應釋放出中子。

一個質子在打靶后大概可以產生20—30個中子。陳元柏告訴南方日報記者，在實際反應中，這個瞬間形成的高能中子束流脈沖非常短又非常強，要經過慢化器慢化處理后，通過中子導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。

就大眾關心的環境安全問題，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，輻射控制在環保安全范圍內。“在散裂中子源附近居住1年，居民受到的輻射量僅相當于乘1次長途飛機。”

2 評估材料“內傷” 預測材料壽命

“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時會受力，這個力存在于材料中，這就是殘余應力”。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‘內傷’的程度。”

通過散裂中子源的實驗，研究人員便可知道所檢測的樣品中“封印”了多少殘余應力，還可通過模擬實驗，得知材料所能承受的極限應力，預知材料的壽命。如此一來，前文所述的德國動車事故便可有效地避免。

如果工程師想知道某個部件對外力的耐受力，還希望了解使用不同材料和加工工藝生產出的部件，哪一種使用壽命更長，將中子散射結果與計算機模擬相結合，就有助于找到這些問題的答案。

張書彥告訴南方日報記者，她2016年初回國創建東莞材料基因高等理工研究院的主要目的之一，就是要在中國進行散裂中子源設計并建設一臺工程材料中子衍射譜儀，以解決國內在材料設計、加工和裝備制造及服役性能等領域的類似問題。如今東莞材料基因高等理工研究院已經和中廣核集團簽訂了合作協議，去年8月有了第一份技術合同，正籌備共建“核電應力工程技術研發中心”。

中子散射數據還在獲取液體分子結構的過程中發揮著重大作用。如制藥行業就需要用到這項技術，藥物成分主要是從某些有機溶劑中提取的，而有機溶劑的易揮發和易燃性又牽引出安全生產問題，最終導致制藥化學廢棄物的處理成本很高。研究人員通過中子散射技術，尋找到新手段，使化學物更容易處理，同時減少廢棄物的產生，從而大大降低了廢棄物的處理成本。

當前國內中子散射技術領域發展迅速，對中子散射技術的研究和應用的需求發展很快，中子散射領域的用戶群體每年都在顯著增加。8月11日上午，中國科學院院士、高能物理研究所所長王貽芳和東陽光集團董事長張中能簽署了中國散裂中子源首個產業化項目——硼中子俘獲治療（BNCT）項目。BNCT是一種利用中子射線照射進行腫瘤治療的技術，能夠有效殺死癌細胞而不損傷周邊組織，具有安全性高、定位精確、價格相對低廉等特點，該項目有望在未來5年內開啟全國治療腫瘤疾病的新時代。

3 建中國人的散裂中子源

2001年2月，在由國家科學技術部（原國家科委）發起的香山科學會議上，專家們提出在中國建設散裂中子源的設想。經過10年的調研、籌備之后，2011年10月20日，中國散裂中子源在廣東東莞開工建設。

中國散裂中子源是迄今為止，我國單項投資規模最大的國家重大科技基礎設施，其工程費用約為23億元，除國家投資的18.6632億元建設主裝置區外，廣東和東莞兩級政府共投資5億元建設輔助裝置區，同時配套建設“中子源路”。

中國散裂中子預期壽命超過30年，媲美世界其他三臺散裂中子源裝置——英國的ISIS、美國的SNS和日本的J—PAC。中國科學院高能物理研究所對建設大科學裝置有豐富的經驗。建設中國散裂中子源的任務，也落在了研究所專家肩上。

“這么大的裝置過去沒做過，挺復雜的。”陳元柏說，在建設之初，他們就組織成立了國際顧問委員會，項目推進一直得到全球散裂中子源的專家、領導設計者、具體工作的負責人的支持。尤其是加速器和靶站的設計，“一方面，我們派人出去學習交流，另一方面，請專家來講課。”陳元柏說。另外，中國散裂中子源項目對所用設備的性能和工藝也有著嚴格要求。通過不斷改進，最終中國散裂中子設備國產率達到96%以上。

目前，世界上的另外三臺散裂中子源裝置——英國的ISIS、美國的SNS和日本的J—PAC都是開放的實驗平臺，全球的用戶可以向散裂中子源裝置提出需求，經過用戶科學委員會對項目的篩選后，進行順次排隊實驗。未來，中國散裂中子源在建成后也會對全球用戶敞開大門，每年將接待眾多研究者在不同譜儀上展開研究。“我們要做用戶宣傳，讓國內更多人了解散裂中子源的應用”，陳元柏說，中國散裂中子源正在一邊建設，一邊通過中英牛頓基金積極資助用戶去國外三家散裂中子源做實驗，用以培養用戶。在中國散裂中子源主裝置區之外，園區內還有供未來的實驗用戶住宿的樓宇。

今年9月，中國散裂中子源將輸出第一束實驗中子束，邁出我國重大科學裝置運作的標志性一步。陳元柏說，2018年通過驗收后，中國散裂中子源將充分發揮第一期三臺譜儀在材料科學、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。

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責任編輯：王元

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