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，我們會迅速做出判斷，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？1998年6月，德國一輛時速約200千米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，事故的原因正是車輪因材料疲勞而發生爆裂。

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。

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，質子束積累到一定程度后，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。在實際反應中，這個瞬間形成的高能中子束流脈沖不僅時間短，而且強度大，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。

散裂中子源的廣泛用途

散裂中子源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。通過散裂中子源項目發展起來的強流質子加速器，用于航天器件輻照效應的地面模擬試驗研究（包括材料的輻照損傷與電子器件的單粒子反轉效應等），其研究成果對于提高航天器件的壽命與可靠性有重要意義。

制藥行業同樣需要用到這項技術。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的問題，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。

此外，散裂中子源產生的質子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究，為國內外醫療界服務。2017年8月11日，中科院高能物理研究所和國內某集團簽署了中國散裂中子源首個產業化項目——硼中子俘獲治療項目。硼中子俘獲治療是一種利用中子射線照射進行腫瘤治療的技術，它能夠有效殺死癌細胞，同時不損傷周邊組織，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。

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。endprint