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(dǎo)致101名乘客死亡，88人重傷。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，意外的元兇是老化的車輪和因材料疲勞所產(chǎn)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(yīng)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(zāi)難再次發(fā)生的關(guān)鍵。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種先進的科技平臺可以幫助他們測量大部件內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)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(zhì)。它不僅在應(yīng)力測量方面有突出表現(xiàn)，還是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)性質(zhì)的理想“探針”之一。
散裂中子源（spallation neutron source）提供中子，為眾多學(xué)科領(lǐng)域的研究提供了一種先進的研究工具。正在建設(shè)的中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source—CSNS），位于廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)，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(xué)裝置運作的標志性一步。
●南方日報記者 曹斯 林亞茗 發(fā)自東莞
實習(xí)生 王倩 通訊員 張瑋
本欄攝影：南方日報記者 張梓望 通訊員 張瑋
1 看穿材料微觀結(jié)構(gòu)的“超級顯微鏡”
X射線能“拍攝”人體的醫(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(jié)構(gòu)。在科學(xué)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(fā)生相互作用，研究樣品的“DNA”，即晶體材料、聚合物等微觀結(jié)構(gòu)。
“假如你前面有一張很大的網(wǎng)，又想知道這個網(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(wǎng)的結(jié)構(gòu)?！敝袊茖W(xué)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(wǎng)上向各個方向散開，即中子散射過程。網(wǎng)，則是大家希望研究的物質(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，研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律。
散裂中子源工程副經(jīng)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(wěn)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(jié)構(gòu)。因此一種能獲得高性能中子的大科學(xué)裝置——散裂中子源應(yīng)運而生。
正在東莞建設(shè)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(huán)質(zhì)子同步加速器，一個靶站，和20臺（一期3臺）中子譜儀等科學(xué)實驗設(shè)施以及相關(guān)配套設(shè)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(huán)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(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)子束積累到足夠流強后，再注入環(huán)形加速器繼續(xù)加速，達到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。
一個質(zhì)子在打靶后大概可以產(chǎn)生20—30個中子。陳元柏告訴南方日報記者，在實際反應(yīng)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(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(guān)心的環(huán)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(huán)保安全范圍內(nèi)。“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?！?/p>
2 評估材料“內(nèi)傷” 預(yù)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(chǎn)時會受力，這個力存在于材料中，這就是殘余應(yīng)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(yīng)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(nèi)傷’的程度?！?/p>
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(yīng)力，還可通過模擬實驗，得知材料所能承受的極限應(yīng)力，預(yù)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(chǎn)出的部件，哪一種使用壽命更長，將中子散射結(jié)果與計算機模擬相結(jié)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(chuàng)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(shè)計并建設(shè)一臺工程材料中子衍射譜儀，以解決國內(nèi)在材料設(shè)計、加工和裝備制造及服役性能等領(lǐng)域的類似問題。如今東莞材料基因高等理工研究院已經(jīng)和中廣核集團簽訂了合作協(xié)議，去年8月有了第一份技術(shù)合同，正籌備共建“核電應(yīng)力工程技術(shù)研發(fā)中心”。
中子散射數(shù)據(jù)還在獲取液體分子結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)揮著重大作用。如制藥行業(yè)就需要用到這項技術(shù)，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(fā)和易燃性又牽引出安全生產(chǎn)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，同時減少廢棄物的產(chǎn)生，從而大大降低了廢棄物的處理成本。
當前國內(nèi)中子散射技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，對中子散射技術(shù)的研究和應(yīng)用的需求發(fā)展很快，中子散射領(lǐng)域的用戶群體每年都在顯著增加。8月11日上午，中國科學(xué)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(chǎn)業(yè)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(shù)，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(nèi)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(xué)技術(shù)部（原國家科委）發(fā)起的香山科學(xué)會議上，專家們提出在中國建設(shè)散裂中子源的設(shè)想。經(jīng)過10年的調(diào)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(shè)。
中國散裂中子源是迄今為止，我國單項投資規(guī)模最大的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其工程費用約為23億元，除國家投資的18.6632億元建設(shè)主裝置區(qū)外，廣東和東莞兩級政府共投資5億元建設(shè)輔助裝置區(qū)，同時配套建設(shè)“中子源路”。
中國散裂中子預(yù)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(xué)院高能物理研究所對建設(shè)大科學(xué)裝置有豐富的經(jīng)驗。建設(shè)中國散裂中子源的任務(wù)，也落在了研究所專家肩上。
“這么大的裝置過去沒做過，挺復(fù)雜的。”陳元柏說，在建設(shè)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(lǐng)導(dǎo)設(shè)計者、具體工作的負責(zé)人的支持。尤其是加速器和靶站的設(shè)計，“一方面，我們派人出去學(xué)習(xí)交流，另一方面，請專家來講課?！标愒卣f。另外，中國散裂中子源項目對所用設(shè)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(shè)備國產(chǎn)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(jīng)過用戶科學(xué)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(nèi)更多人了解散裂中子源的應(yīng)用”，陳元柏說，中國散裂中子源正在一邊建設(shè)，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(yǎng)用戶。在中國散裂中子源主裝置區(qū)之外，園區(qū)內(nèi)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(xué)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(fā)揮第一期三臺譜儀在材料科學(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。
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