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        測(cè)試飛機(jī)“疲憊”的“探針”

        2018-06-05 09:44:30秋凡
        初中生世界·八年級(jí) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:中子源彈珠中子

        秋凡

        當(dāng)我們無精打采,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、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??茖W(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),你可以拋出很多個(gè)彈珠,有的彈珠會(huì)穿過這個(gè)網(wǎng)的孔,有的彈珠和網(wǎng)線發(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,即中子散射過程。網(wǎng)則是科學(xué)家研究的物質(zhì)的結(jié)構(gòu)??茖W(xué)家正是通過測(cè)量散射出來的中子能量和動(dòng)量的變化,來研究物質(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,無法直接被用來研究材料的微觀結(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30年,由一臺(tái)80兆的電子伏特強(qiáng)流負(fù)氫離子直線加速器、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)力源來自電能,輻射控制在環(huán)保安全范圍內(nèi)。專家表示,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,為用戶提供高性能、安全、可靠的研究平臺(tái)。

        (選自2018年01期《知識(shí)窗》,本刊有刪改)

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