【儀商訊】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，導致101名乘客死亡，88人重傷。經調查發現，意外的元兇是老化的車輪和因材料疲勞所產生的裂紋。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難再次發生的關鍵。

科學家們發現，一種先進的科技平臺可以幫助他們測量大部件內部的應力和應變——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。它不僅在應力測量方面有突出表現，還是研究物質結構及其動力學性質的理想“探針”之一。

散裂中子源（spallation neutron source）提供中子，為眾多學科領域的研究提供了一種先進的研究工具。正在建設的中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source—CSNS），位于廣東省東莞市大朗鎮，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，邁出這項重大科學裝置運作的標志性一步。

1 看穿材料微觀結構的“超級顯微鏡”

X射線能“拍攝”人體的醫學影像。而在材料學、生命科學等領域，科學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構。在科學家眼中，散裂中子源就是一臺這樣的超級顯微鏡，通過和樣品發生相互作用，研究樣品的“DNA”，即晶體材料、聚合物等微觀結構。

“假如你前面有一張很大的網，又想知道這個網的結構，你可以拋出很多個彈珠，有的彈珠會穿過這個網的孔，有的彈珠和網（線）發生碰撞后，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，便可以反推出網的結構?！敝袊茖W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。它打到網上向各個方向散開，即中子散射過程。網，則是大家希望研究的物質的結構。科學家正是通過測量散射出來的中子能量和動量的變化，研究物質的結構和運動規律。

散裂中子源工程副經理陳元柏研究員說，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構。因此一種能獲得高性能中子的大科學裝置——散裂中子源應運而生。

正在東莞建設的中國散裂中子源，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質子同步加速器，一個靶站，和20臺（一期3臺）中子譜儀等科學實驗設施以及相關配套設施組成。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，負氫離子產生后，在直線加速器里加速，經過剝離掉電子轉化成質子，質子束積累到足夠流強后，再注入環形加速器繼續加速，達到16億電子伏的能量后，從環形加速器引出，經傳輸線打向金屬鎢靶，金屬鎢原子核在高能質子的轟擊下，發生散裂反應釋放出中子。

一個質子在打靶后大概可以產生20—30個中子。陳元柏告訴南方日報記者，在實際反應中，這個瞬間形成的高能中子束流脈沖非常短又非常強，要經過慢化器慢化處理后，通過中子導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。

就大眾關心的環境安全問題，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，輻射控制在環保安全范圍內。“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。”

2 評估材料“內傷” 預測材料壽命

“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時會受力，這個力存在于材料中，這就是殘余應力”。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‘內傷’的程度?！?