走近大科學(xué)工程

我們要制造自己的大飛機(jī)、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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的“中子散射技術(shù)”。

2015年，中國(guó)工程物理研究院（簡(jiǎn)稱中物院）核物理與化學(xué)研究所研制出國(guó)內(nèi)首個(gè)投入科學(xué)研究和工程應(yīng)用的中子科學(xué)平臺(tái)，成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)的最重要工具之一。運(yùn)行3年來(lái)，這個(gè)承載著老一輩科學(xué)家夢(mèng)想的科學(xué)平臺(tái)，發(fā)揮了哪些作用？日前，科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了采訪。

回答“原子在做什么”

利用中子測(cè)定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)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(cè)定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、無(wú)損檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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(guó)散裂中子源，中物院中子科學(xué)平臺(tái)依托2011年首次達(dá)到滿功率運(yùn)行、固有安全性好、實(shí)驗(yàn)空間大的中國(guó)綿陽(yáng)研究堆和國(guó)內(nèi)首臺(tái)冷中子源建立，擁有“麒麟”“鳳凰”等6臺(tái)譜儀。

平臺(tái)負(fù)責(zé)人說(shuō)，3年來(lái)在有機(jī)光電材料、高分子物理、可燃冰研究、國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制等重要研究領(lǐng)域，都可以找到中子科學(xué)平臺(tái)的身影。“平臺(tái)首次實(shí)現(xiàn)通過中子方式，快速準(zhǔn)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(dá)50公斤的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤在特定區(qū)域的三維殘余應(yīng)力分布準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室之一。”

“透視”發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤

航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǎng)期工作，并能夠抗氧化、抗腐蝕，只有準(zhǔn)確測(cè)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(tuán)隊(duì)成員說(shuō)，用于測(cè)量材料微觀力學(xué)行為、代號(hào)“麒麟”的中子應(yīng)力分析譜儀，目前已在我國(guó)航空航天領(lǐng)域初顯身手。團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首次獲得直徑1100毫米重達(dá)50公斤的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤特定區(qū)域三維殘余應(yīng)力分布的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，還先后多次完成了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、葉片和飛機(jī)蒙皮內(nèi)部殘余應(yīng)力的分析以及擬合。

對(duì)可燃冰研究的條件非常苛刻，而平臺(tái)中用于晶體結(jié)構(gòu)、相變測(cè)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(tuán)隊(duì)已搭建了高壓低溫水合物合成與表征實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室之一。

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