走近大科學(xué)工程

我們要制造自己的大飛機、高鐵、戰(zhàn)艦，哪種材料最合適？哪種構(gòu)型最安全？出現(xiàn)了問題是什么原因引起的？要研究這些問題，就必須借助能揭示原子、分子運動狀態(tài)的“中子散射技術(shù)”。

2015年，中國工程物理研究院（簡稱中物院）核物理與化學(xué)研究所研制出國內(nèi)首個投入科學(xué)研究和工程應(yīng)用的中子科學(xué)平臺，成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)的最重要工具之一。運行3年來，這個承載著老一輩科學(xué)家夢想的科學(xué)平臺，發(fā)揮了哪些作用？日前，科技日報記者進行了采訪。

回答“原子在做什么”

利用中子測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實驗方法稱為中子散射，它不但可以告訴我們“原子在哪里”，還可以告訴我們“原子在做什么”，這也是當(dāng)前測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、無損檢測材料殘余應(yīng)力、直接觀察材料磁通晶格的唯一工具。目前，世界上只有反應(yīng)堆和散裂中子源能產(chǎn)生用于中子散射實驗的中子束流，其中反應(yīng)堆中子源是連續(xù)的穩(wěn)態(tài)中子束流，散裂中子源產(chǎn)生的是脈沖中子源。

不同于剛剛在廣東宣布建成的中國散裂中子源，中物院中子科學(xué)平臺依托2011年首次達到滿功率運行、固有安全性好、實驗空間大的中國綿陽研究堆和國內(nèi)首臺冷中子源建立，擁有“麒麟”“鳳凰”等6臺譜儀。

平臺負責(zé)人說，3年來在有機光電材料、高分子物理、可燃冰研究、國產(chǎn)發(fā)動機研制等重要研究領(lǐng)域，都可以找到中子科學(xué)平臺的身影。“平臺首次實現(xiàn)通過中子方式，快速準確地觀察材料分子的溶液聚集行為；首次獲得直徑1100毫米重達50公斤的發(fā)動機渦輪盤在特定區(qū)域的三維殘余應(yīng)力分布準確數(shù)據(jù)，并成為世界上少數(shù)具備可燃冰水合物研究條件的實驗室之一。”

“透視”發(fā)動機渦輪盤

航空、航天發(fā)動機的渦輪盤、葉片等高溫合金部件，需要在600至1200攝氏度高溫、一定應(yīng)力作用下長期工作，并能夠抗氧化、抗腐蝕，只有準確測量其應(yīng)力分布的數(shù)值，才能優(yōu)化其制造工藝。

“而要在不破壞部件結(jié)構(gòu)的前提下，獲取高溫合金材料內(nèi)三維殘余應(yīng)力的完整分布數(shù)據(jù)，中子殘余應(yīng)力分析是唯一方法。”科研團隊成員說，用于測量材料微觀力學(xué)行為、代號“麒麟”的中子應(yīng)力分析譜儀，目前已在我國航空航天領(lǐng)域初顯身手。團隊在國內(nèi)首次獲得直徑1100毫米重達50公斤的發(fā)動機渦輪盤特定區(qū)域三維殘余應(yīng)力分布的準確數(shù)據(jù)，還先后多次完成了飛機發(fā)動機渦輪盤、葉片和飛機蒙皮內(nèi)部殘余應(yīng)力的分析以及擬合。

對可燃冰研究的條件非常苛刻，而平臺中用于晶體結(jié)構(gòu)、相變測量的高壓中子衍射譜儀“鳳凰”，則具備這樣的能力。目前，科研團隊已搭建了高壓低溫水合物合成與表征實驗系統(tǒng)，成為世界上少數(shù)具備可燃冰水合物研究條件的實驗室之一。

為滿足多個領(lǐng)域在各種極端條件下開展中子散射研究，三年來中物院科研團隊為平臺研發(fā)、制備了多種原位環(huán)境設(shè)備，還有測角儀、電磁鐵、剪切流變儀等國際常用的原位環(huán)境設(shè)備平臺。