測(cè)試飛機(jī)“疲憊”的“探針”

秋 凡

當(dāng)我們無(wú)精打采，反應(yīng)遲鈍，或頭部、頸部僵直不適，眼睛發(fā)酸、發(fā)脹時(shí)，憑著自身感知，我們會(huì)迅速作出判斷，這是身體“零件”發(fā)出的信號(hào)：你累了，需要及時(shí)休息。那么，高速運(yùn)作的飛機(jī)、高鐵等大型交通運(yùn)輸工具，我們又如何探知其是否勞累、老化呢？

其實(shí)，無(wú)論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼等，都有自身的使用壽命，而決定使用壽命的正是應(yīng)力。什么是應(yīng)力？它是指單位面積上所承受的附加內(nèi)力。它看不見(jiàn)、摸不著，但決定了飛機(jī)、高鐵等大型交通運(yùn)輸工具的使用壽命。

研究人員對(duì)一些材料進(jìn)行拉伸或壓縮，達(dá)到某種程度時(shí)它們就會(huì)裂斷。這是因?yàn)椴牧显谏a(chǎn)或加工時(shí)所受的力存在于材料之中，這種力被稱(chēng)為殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力“封印”在材料里，人的肉眼是看不到的。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，一種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)可以幫助測(cè)量大型工具內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變——那就是散裂中子源。通過(guò)散裂中子源的實(shí)驗(yàn)，研究人員便可知道檢測(cè)的樣品中“封印”了多少殘余應(yīng)力，還可以通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，得知材料所能承受的應(yīng)力極限，從而預(yù)知材料的使用壽命。

特殊的“超級(jí)顯微鏡”

我們知道X射線(xiàn)能“拍攝”人體并產(chǎn)生醫(yī)學(xué)影像，而在材料學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，科學(xué)家們也希望有一種高亮度的“中子源”，能像X射線(xiàn)一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)。散裂中子源就是一個(gè)利用中子來(lái)探索微觀世界的工具，它用高能質(zhì)子撞擊重金屬靶，產(chǎn)生極為短暫的高強(qiáng)度中子脈沖，就像一臺(tái)超級(jí)顯微鏡，可以供科學(xué)家研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等微觀結(jié)構(gòu)。

要了解散裂中子源的“超能力”，就得從中子的特性說(shuō)起。中子是由英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·查德威克在1932年發(fā)現(xiàn)的。作為構(gòu)成原子核的基本粒子之一，中子在宇宙中大量存在，構(gòu)成了一半以上的可見(jiàn)物質(zhì)。打個(gè)比方，假如你前面有一張很大的網(wǎng)，你想知道這個(gè)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，你可以?huà)伋龊芏鄠€(gè)彈珠，有的彈珠會(huì)穿過(guò)這個(gè)網(wǎng)的孔，有的彈珠和網(wǎng)線(xiàn)發(fā)生碰撞后，會(huì)飛往不同方向。如果能夠把所有彈珠的軌跡都測(cè)量清楚，通過(guò)計(jì)算，便可以反推出網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)彈珠，相當(dāng)于中子，它打到網(wǎng)上向各個(gè)方向散開(kāi)，即中子散射過(guò)程。網(wǎng)則是科學(xué)家研究的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家正是通過(guò)測(cè)量散射出來(lái)的中子能量和動(dòng)量的變化，來(lái)研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

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(wú)法直接被用來(lái)研究材料的微觀結(jié)構(gòu)。因此，一種能獲得高性能中子的大科學(xué)裝置——散裂中子源便誕生了。

“中國(guó)制造”散裂中子源

經(jīng)過(guò)10年的調(diào)研、籌備之后，中國(guó)散裂中子源在廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)開(kāi)工建設(shè)，它是迄今為止我國(guó)單項(xiàng)投資規(guī)模最大的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。它的預(yù)期壽命超過(guò)30年，由一臺(tái)80兆的電子伏特強(qiáng)流負(fù)氫離子直線(xiàn)加速器、一臺(tái)束流動(dòng)能為16億電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、一個(gè)靶站和20臺(tái)中子譜儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)施，以及相關(guān)配套設(shè)施組成。整個(gè)裝置建在距離地面13～18米的地下，以屏蔽輻射。其中，直線(xiàn)加速器隧道長(zhǎng)240米，環(huán)形加速器周長(zhǎng)228米，有半個(gè)足球場(chǎng)那么大。

中國(guó)散裂中子源項(xiàng)目對(duì)所用設(shè)備的性能和工藝有著嚴(yán)格要求，通過(guò)不斷改進(jìn)，中國(guó)散裂中子設(shè)備國(guó)產(chǎn)率最終達(dá)到96%以上。中國(guó)散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，動(dòng)力源來(lái)自電能，輻射控制在環(huán)保安全范圍內(nèi)。專(zhuān)家表示，在散裂中子源附近居住一年，居民所受的輻射量?jī)H相當(dāng)于乘坐一次長(zhǎng)途飛機(jī)。

2017年9月，中國(guó)散裂中子源輸出了第一束實(shí)驗(yàn)中子束，邁出了我國(guó)重大科學(xué)裝置運(yùn)作的關(guān)鍵一步。2018年，中國(guó)散裂中子源通過(guò)驗(yàn)收后，將充分發(fā)揮其在材料科學(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(hù)提供高性能、安全、可靠的研究平臺(tái)。