走近大科學工程

我們要制造自己的大飛機、高鐵、戰艦，哪種材料最合適？哪種構型最安全？出現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、分子運動狀態的“中子散射技術”。

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

回答“原子在做什么”

利用中子測定物質微觀結構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”，這也是當前測定物質微觀結構、無損檢測材料殘余應力、直接觀察材料磁通晶格的唯一工具。目前，世界上只有反應堆和散裂中子源能產生用于中子散射實驗的中子束流，其中反應堆中子源是連續的穩態中子束流，散裂中子源產生的是脈沖中子源。

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首臺冷中子源建立，擁有“麒麟”“鳳凰”等6臺譜儀。

平臺負責人說，3年來在有機光電材料、高分子物理、可燃冰研究、國產發動機研制等重要研究領域，都可以找到中子科學平臺的身影。“平臺首次實現通過中子方式，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公斤的發動機渦輪盤在特定區域的三維殘余應力分布準確數據，并成為世界上少數具備可燃冰水合物研究條件的實驗室之一。”

“透視”發動機渦輪盤

航空、航天發動機的渦輪盤、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，只有準確測量其應力分布的數值，才能優化其制造工藝。

“而要在不破壞部件結構的前提下，獲取高溫合金材料內三維殘余應力的完整分布數據，中子殘余應力分析是唯一方法。”科研團隊成員說，用于測量材料微觀力學行為、代號“麒麟”的中子應力分析譜儀，目前已在我國航空航天領域初顯身手。團隊在國內首次獲得直徑1100毫米重達50公斤的發動機渦輪盤特定區域三維殘余應力分布的準確數據，還先后多次完成了飛機發動機渦輪盤、葉片和飛機蒙皮內部殘余應力的分析以及擬合。

對可燃冰研究的條件非常苛刻，而平臺中用于晶體結構、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，成為世界上少數具備可燃冰水合物研究條件的實驗室之一。

為滿足多個領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、制備了多種原位環境設備，還有測角儀、電磁鐵、剪切流變儀等國際常用的原位環境設備平臺。