飞机“累了”? 用中子“探针”测测看
2017-08-29 09:20:00 来源:南方日报 作者:曹斯 林亚茗2017-08-29 来源:南方日报 作者:曹斯 林亚茗

  1998年的6月,德国一辆以时速约200公里运行的城际快车意外出轨,导致101名乘客死亡,88人重伤。经调查发现,意外的元凶是老化的车轮和因材料疲劳所产生的裂纹。其实,无论是高铁的轮轨,还是飞机的涡轮、机翼等,里面都有应力——它看不见摸不着,但它决定了飞机、高铁等大部件的安全甚至寿命。如何把它研究清楚,成了从根本上避免类似灾难再次发生的关键。

  科学家们发现,一种先进的科技平台可以帮助他们测量大部件内部的应力和应变——那就是散裂中子源。其中,中子作为组成原子核的基本粒子之一,中子不带电且有磁矩、穿透性强、非破坏性等特质。它不仅在应力测量方面有突出表现,还是研究物质结构及其动力学性质的理想“探针”之一。

  散裂中子源(spallation neutron source)提供中子,为众多学科领域的研究提供了一种先进的研究工具。正在建设的中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source—CSNS),位于广东省东莞市大朗镇,建成后将成为全世界第四台脉冲式散裂中子源。今年9月,中国散裂中子源将输出第一束实验中子束,迈出这项重大科学装置运作的标志性一步。

  1 看穿材料微观结构的“超级显微镜”

  X射线能“拍摄”人体的医学影像。而在材料学、生命科学等领域,科学家们一直希望有一种高亮度的“中子源”,能像X射线一样拍摄材料的微观结构。在科学家眼中,散裂中子源就是一台这样的超级显微镜,通过和样品发生相互作用,研究样品的“DNA”,即晶体材料、聚合物等微观结构。

  “假如你前面有一张很大的网,又想知道这个网的结构,你可以抛出很多个弹珠,有的弹珠会穿过这个网的孔,有的弹珠和网(线)发生碰撞后,会飞向不同方向。如果能够把所有弹珠的轨迹都测量清楚,通过计算,便可以反推出网的结构。”中国科学院高能物理研究所的陈和生院士在中科院制作的科普视频中如此通俗地比喻。

  这个弹珠,相当于中子。它打到网上向各个方向散开,即中子散射过程。网,则是大家希望研究的物质的结构。科学家正是通过测量散射出来的中子能量和动量的变化,研究物质的结构和运动规律。

  散裂中子源工程副经理陈元柏研究员说,每分钟就有20个中子打在手上。但由于衰变,自由中子十分不稳定,平均寿命不到15分钟,无法直接被用来探索材料的微观结构。因此一种能获得高性能中子的大科学装置——散裂中子源应运而生。

  正在东莞建设的中国散裂中子源,由一台80兆电子福特强流负氢离子直线加速器,一台束流动能为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器,一个靶站,和20台(一期3台)中子谱仪等科学实验设施以及相关配套设施组成。整个装置建在离地面13米—18米的地下,以屏蔽辐射。其中直线加速器隧道长240米,环形加速器周长228米,有半个足球场那么大。

  散裂中子源究竟是如何工作的呢?陈元柏说,在散裂中子源的源头,负氢离子产生后,在直线加速器里加速,经过剥离掉电子转化成质子,质子束积累到足够流强后,再注入环形加速器继续加速,达到16亿电子伏的能量后,从环形加速器引出,经传输线打向金属钨靶,金属钨原子核在高能质子的轰击下,发生散裂反应释放出中子。

  一个质子在打靶后大概可以产生20—30个中子。陈元柏告诉南方日报记者,在实际反应中,这个瞬间形成的高能中子束流脉冲非常短又非常强,要经过慢化器慢化处理后,通过中子导管引向各种研究用的谱仪,才能让中子与试验样品的原子碰撞。中子谱仪会记录下碰撞后中子的运动轨迹,供用户进行实验研究。

  就大众关心的环境安全问题,陈和生院士说,中国散裂中子源基于新一代加速器,不需要核材料,动力来自电能,辐射控制在环保安全范围内。“在散裂中子源附近居住1年,居民受到的辐射量仅相当于乘1次长途飞机。”

  2 评估材料“内伤” 预测材料寿命

  “对一些材料进行拉伸,拉到某个程度会断。为什么会断?因为,很多材料在加工或者生产时会受力,这个力存在于材料中,这就是残余应力”。东莞材料基因高等理工研究院院长张书彦说,“这就像把应力‘封印’在材料里,因为肉眼看不到,因此我们就需要通过实验来检测材料的‘内伤’的程度。”

  通过散裂中子源的实验,研究人员便可知道所检测的样品中“封印”了多少残余应力,还可通过模拟实验,得知材料所能承受的极限应力,预知材料的寿命。如此一来,前文所述的德国动车事故便可有效地避免。

  如果工程师想知道某个部件对外力的耐受力,还希望了解使用不同材料和加工工艺生产出的部件,哪一种使用寿命更长,将中子散射结果与计算机模拟相结合,就有助于找到这些问题的答案。

  张书彦告诉南方日报记者,她2016年初回国创建东莞材料基因高等理工研究院的主要目的之一,就是要在中国进行散裂中子源设计并建设一台工程材料中子衍射谱仪,以解决国内在材料设计、加工和装备制造及服役性能等领域的类似问题。如今东莞材料基因高等理工研究院已经和中广核集团签订了合作协议,去年8月有了第一份技术合同,正筹备共建“核电应力工程技术研发中心”。

  中子散射数据还在获取液体分子结构的过程中发挥着重大作用。如制药行业就需要用到这项技术,药物成分主要是从某些有机溶剂中提取的,而有机溶剂的易挥发和易燃性又牵引出安全生产问题,最终导致制药化学废弃物的处理成本很高。研究人员通过中子散射技术,寻找到新手段,使化学物更容易处理,同时减少废弃物的产生,从而大大降低了废弃物的处理成本。

  当前国内中子散射技术领域发展迅速,对中子散射技术的研究和应用的需求发展很快,中子散射领域的用户群体每年都在显著增加。8月11日上午,中国科学院院士、高能物理研究所所长王贻芳和东阳光集团董事长张中能签署了中国散裂中子源首个产业化项目——硼中子俘获治疗(BNCT)项目。BNCT是一种利用中子射线照射进行肿瘤治疗的技术,能够有效杀死癌细胞而不损伤周边组织,具有安全性高、定位精确、价格相对低廉等特点,该项目有望在未来5年内开启全国治疗肿瘤疾病的新时代。

  3 建中国人的散裂中子源

  2001年2月,在由国家科学技术部(原国家科委)发起的香山科学会议上,专家们提出在中国建设散裂中子源的设想。经过10年的调研、筹备之后,2011年10月20日,中国散裂中子源在广东东莞开工建设。

  中国散裂中子源是迄今为止,我国单项投资规模最大的国家重大科技基础设施,其工程费用约为23亿元,除国家投资的18.6632亿元建设主装置区外,广东和东莞两级政府共投资5亿元建设辅助装置区,同时配套建设“中子源路”。

  中国散裂中子预期寿命超过30年,媲美世界其他三台散裂中子源装置——英国的ISIS、美国的SNS和日本的J—PAC。中国科学院高能物理研究所对建设大科学装置有丰富的经验。建设中国散裂中子源的任务,也落在了研究所专家肩上。

  “这么大的装置过去没做过,挺复杂的。”陈元柏说,在建设之初,他们就组织成立了国际顾问委员会,项目推进一直得到全球散裂中子源的专家、领导设计者、具体工作的负责人的支持。尤其是加速器和靶站的设计,“一方面,我们派人出去学习交流,另一方面,请专家来讲课。”陈元柏说。另外,中国散裂中子源项目对所用设备的性能和工艺也有着严格要求。通过不断改进,最终中国散裂中子设备国产率达到96%以上。

  目前,世界上的另外三台散裂中子源装置——英国的ISIS、美国的SNS和日本的J—PAC都是开放的实验平台,全球的用户可以向散裂中子源装置提出需求,经过用户科学委员会对项目的筛选后,进行顺次排队实验。未来,中国散裂中子源在建成后也会对全球用户敞开大门,每年将接待众多研究者在不同谱仪上展开研究。“我们要做用户宣传,让国内更多人了解散裂中子源的应用”,陈元柏说,中国散裂中子源正在一边建设,一边通过中英牛顿基金积极资助用户去国外三家散裂中子源做实验,用以培养用户。在中国散裂中子源主装置区之外,园区内还有供未来的实验用户住宿的楼宇。

  今年9月,中国散裂中子源将输出第一束实验中子束,迈出我国重大科学装置运作的标志性一步。陈元柏说,2018年通过验收后,中国散裂中子源将充分发挥第一期三台谱仪在材料科学、生命科学、凝聚态物理和化学等领域的作用,为用户提供高性能、安全可靠的研究平台。

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