測試飛機(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，憑著自身感知，我們會迅速作出判斷，這是身體“零件”發(fā)出的信號：你累了，需要及時休息。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？

其實，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。

研究人員對一些材料進(jìn)行拉伸或壓縮，達(dá)到某種程度時它們就會裂斷。這是因為材料在生產(chǎn)或加工時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驗，研究人員便可知道檢測的樣品中“封印”了多少殘余應(yīng)力，還可以通過模擬實驗，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，就像一臺超級顯微鏡，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)。打個比方，假如你前面有一張很大的網(wǎng)，你想知道這個網(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(wǎng)的結(jié)構(gòu)。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)則是科學(xué)家研究的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)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(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(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80兆的電子伏特強(qiáng)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臺中子譜儀等實驗設(shè)施，以及相關(guān)配套設(shè)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(huán)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(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)。

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(xué)裝置運(yùn)作的關(guān)鍵一步。2018年，中國散裂中子源通過驗收后，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。

（選自2018年01期《知識窗》，本刊有刪改）