测试飞机“疲惫”的“探针”

秋凡

当我们无精打采，反应迟钝，或头部、颈部僵直不适，眼睛发酸、发胀时，凭着自身感知，我们会迅速做出判断，这是身体“零件”发出的信号：你累了，需要及时休息。那么，高速运作的飞机、高铁等大型交通运输工具，我们又如何探知其是否劳累、老化呢？1998年6月，德国一辆时速约200千米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，事故的原因正是车轮因材料疲劳而发生爆裂。

其实，无论是高铁的轮轨，还是飞机的涡轮、机翼等，都有自身的使用寿命，而决定使用寿命的正是应力。什么是应力？它是指单位面积上所承受的附加内力。它看不见、摸不着，但决定了飞机、高铁等大型交通运输工具的使用寿命。

研究人员对一些材料进行拉伸或压缩，达到某种程度时它们就会裂断。这是因为材料在生产或加工时所受的力存在于材料之中，这种力被称为残余应力。这种应力“封印”在材料里，人的肉眼是看不到的。科学家们发现，一种先进的科学技术可以帮助测量大型工具内部的应力和应变——那就是散裂中子源。通过散裂中子源的实验，研究人员便可知道检测的样品中“封印”了多少残余应力，还可以通过模拟实验，得知材料所能承受的应力极限，从而预知材料的使用寿命。

特殊的“超级显微镜”

我们知道X射线能“拍摄”人体并产生医学影像，而在材料学、生命科学等领域，科学家们也希望有一种高亮度的“中子源”，能像X射线一样拍摄到材料的微观结构。散裂中子源就是一个利用中子来探索微观世界的工具，它用高能质子撞击重金属靶，产生极为短暂的高强度中子脉冲，就像一台超级显微镜，可以供科学家研究DNA、结晶材料、聚合物等微观结构。

要了解散裂中子源的“超能力”，就得从中子的特性说起。中子是由英国物理学家詹姆斯·查德威克在1932年发现的，作为构成原子核的基本粒子之一，中子在宇宙中大量存在，构成了一半以上的可见物质。打个比方，假如你前面有一张很大的网，你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，会飞往不同方向。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。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。网则是科学家研究的物质的结构。科学家正是通过测量散射出来的中子能量和动量的变化，来研究物质的结构和运动规律。

但由于衰变，自由中子十分不稳定，平均寿命不到15分钟，无法直接被用来研究材料的微观结构。因此，一种能获得高性能中子的大科学装置——散裂中子源便诞生了。

“中国制造”散裂中子源

经过10年的调研、筹备之后，中国散裂中子源在广东省东莞市大朗镇开工建设，它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。它的预期寿命超过30年，由一台80兆的电子伏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台中子谱仪等实验设施，以及相关配套设施组成。整个装置建在距离地面13～18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。

中国散裂中子源项目对所用设备的性能和工艺有着严格要求，通过不断改进，中国散裂中子设备国产率最终达到96%以上。中国散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，动力源来自电能，辐射控制在环保安全范围内。专家表示，在散裂中子源附近居住一年，居民所受的辐射量仅相当于乘坐一次长途飞机。

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，质子束积累到一定程度后，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。在实际反应中，这个瞬间形成的高能中子束流脉冲不仅时间短，而且强度大，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。

散裂中子源的广泛用途

散裂中子源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。通过散裂中子源项目发展起来的强流质子加速器，用于航天器件辐照效应的地面模拟试验研究（包括材料的辐照损伤与电子器件的单粒子反转效应等），其研究成果对于提高航天器件的寿命与可靠性有重要意义。

制药行业同样需要用到这项技术。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的问题，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。

此外，散裂中子源产生的质子和中子可用于肿瘤的放射性治療研究，为国内外医疗界服务。2017年8月11日，中科院高能物理研究所和国内某集团签署了中国散裂中子源首个产业化项目——硼中子俘获治疗项目。硼中子俘获治疗是一种利用中子射线照射进行肿瘤治疗的技术，它能够有效杀死癌细胞，同时不损伤周边组织，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。

2017年9月，中国散裂中子源输出了第一束实验中子束，迈出了我国重大科学装置运作的关键一步。2018年，中国散裂中子源通过验收后，将充分发挥其在材料科学、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。endprint