 2017年9月2日，一篇名为《中国又一大科学工程：散裂中子源首次打靶成功！》的报道发布之后，国内一片沸腾，表明我国在尖端技术领域又取得重大突破。意味着，中国继美国、日本和英国后成为世界上第四个掌握散裂中子源打靶技术的国家。该技术将极大地有利于我国在凝聚态物理、医学生物和航空航天方面的发展研究。特别是在军事用途上，很可能会令我国的航空发动机技术产生重大突破，实现弯道超车。 世界上的物质由原子和分子组成，而原子由原子核和核外电子组成，在原子核里有一种不带电的基本粒子——中子。如果没有中子，由于原子核带电质子之间存在排斥力，就不可能组成除氢之外的任何其他重粒子。该粒子有个十分优秀的特性，即：能对质量较轻的原子十分敏感，能准确定位出重原子里的轻原子，进而实现对材料微观结构的成像，检验材料质量，这一技术被称为中子源散射技术。 所谓中子源散射的具体过程是先用一束中子入射到研究的材料上，该中子将会与对象材料发生碰撞，有些穿过对象材料，有些被弹开，这样就可以根据各个方向的中子的运动特性来观测出研究材料本身的特性。实际上，大多数的中子会直接穿越而过，不与材料发生碰撞，这是因为原子核只占了原子的很小一部分体积，我们所看到的世界上一切物质实际上大多数都是空的，视觉是光谱形成的，触觉是原子之间的排斥力形成的。少量的中子会与原子核发生碰撞，运动方向发生改变，通过测量这些改变了运动方向的中子动能、动量，就可以知道原子核的具体位置和具体类型。 那么中子源是如何得到的呢？中子源指的是能产生中子的发生装置。最开始，科学家们使用的是放射性同位素做为中子源，20世纪开始使用加速低能粒子轰击重金属的方式产生中子源，但这种方法的效率比较低，检测材料时的光谱宽度不够，检验能力有限。还有一种反应堆中子源，是在核反应堆里摄取中子作为中子源，受限于核反应堆的温度，也不难大规模制造。   散裂中子源就是把之前的低能粒子束轰击改为高能粒子束轰击，通过轰击，一些原子核被打成好几块，这一过程被称为散裂，轰击中产生了质子、中子等各种微型粒子，一般是使用质子轰击。在质子加速器的作用下，产生约1GeV能力的质子流轰击铀材料，这里的铀材料又被称为靶材料，一个质子被打靶后往往能产生几十个中子，效率大大提高，这些中子就可以直接用于检验各种材料了。这就是散裂中子源打靶，相比以前的低能散射技术来说，能检验的材料光谱更宽，类型更广泛。 对应到航空发动机领域，众所周知，我国的航空发动机主要是工作寿命不过关，这是由两个因素引起的，第一是发动机的制造工艺，第二是制造发动机的材料，而发动机的原理构造几乎全世界都是一样的。在发动机制造工艺上，随着我国数字机床的研究不断取得突破和进口机床的成功获取，已经不存在太大问题，但在发动机材料上中国工程师仍然苦苦思索而不得其法。  航空发动机材料选取的难关在于，每个组件（如叶片）在每个点的温度要求、纯度要求是不一样的，一旦设置错误，就会导致整体性能的下降。例如在某型发动机叶片上，为了降温，不能全部都冷却，而只冷却几个固定的点，这样才能在叶片高速旋转时保持极高的刚性，但这些点是工程实践摸索出来的，基本没有任何理论支撑，只有大量的试验后，才能总结出来。个成功的发动机叶片后面必然有成千上万个废旧叶片，这也是为什么发动机研发如此烧钱的主要原因。 在中子源散裂打靶技术成熟并实际运用后，就可以用该装置直接对航空发动机的各个部件和原材料进行成分和裂伤、物理形态检验，从而确定原材料的成分、比例、原子排列位置，然后进行针对性的调整，相对无目标的重复试验，成功率自然会大大提高。毫无疑问，这将会极大的加速我国航空发动机发展速度。   中国散裂中子源设施开工建设是在6年前的2011年，相关设备在2010年已完成技术研发。今年，刚完成所有设备设施的建造就传来散裂中子源打靶成功的喜讯，未来必将在我国科研领域发挥更大的作用。  全文完，谢谢阅读。 |
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