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，我们会迅速作出判断，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？

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，直線加速器隧道长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。

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。

（选自2018年01期《知识窗》，本刊有删改）