【仪商讯】1998年的6月，德国一辆以时速约200公里运行的城际快车意外出轨，导致101名乘客死亡，88人重伤。经调查发现，意外的元凶是老化的车轮和因材料疲劳所产生的裂纹。其实，无论是高铁的轮轨，还是飞机的涡轮、机翼等，里面都有应力——它看不见摸不着，但它决定了飞机、高铁等大部件的安全甚至寿命。如何把它研究清楚，成了从根本上避免类似灾难再次发生的关键。
科学家们发现，一种先进的科技平台可以帮助他们测量大部件内部的应力和应变——那就是散裂中子源。其中，中子作为组成原子核的基本粒子之一，中子不带电且有磁矩、穿透性强、非破坏性等特质。它不仅在应力测量方面有突出表现，还是研究物质结构及其动力学性质的理想“探针”之一。
散裂中子源（spallation neutron source）提供中子，为众多学科领域的研究提供了一种先进的研究工具。正在建设的中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source—CSNS），位于广东省东莞市大朗镇，建成后将成为全世界第四台脉冲式散裂中子源。今年9月，中国散裂中子源将输出第一束实验中子束，迈出这项重大科学装置运作的标志性一步。
1 看穿材料微观结构的“超级显微镜”
X射线能“拍摄”人体的医学影像。而在材料学、生命科学等领域，科学家们一直希望有一种高亮度的“中子源”，能像X射线一样拍摄材料的微观结构。在科学家眼中，散裂中子源就是一台这样的超级显微镜，通过和样品发生相互作用，研究样品的“DNA”，即晶体材料、聚合物等微观结构。
“假如你前面有一张很大的网，又想知道这个网的结构，你可以抛出很多个弹珠，有的弹珠会穿过这个网的孔，有的弹珠和网（线）发生碰撞后，会飞向不同方向。如果能够把所有弹珠的轨迹都测量清楚，通过计算，便可以反推出网的结构。”中国科学院高能物理研究所的陈和生院士在中科院制作的科普视频中如此通俗地比喻。
这个弹珠，相当于中子。它打到网上向各个方向散开，即中子散射过程。网，则是大家希望研究的物质的结构。科学家正是通过测量散射出来的中子能量和动量的变化，研究物质的结构和运动规律。
散裂中子源工程副经理陈元柏研究员说，每分钟就有20个中子打在手上。但由于衰变，自由中子十分不稳定，平均寿命不到15分钟，无法直接被用来探索材料的微观结构。因此一种能获得高性能中子的大科学装置——散裂中子源应运而生。
正在东莞建设的中国散裂中子源，由一台80兆电子福特强流负氢离子直线加速器，一台束流动能为16亿电子伏特的快循环质子同步加速器，一个靶站，和20台（一期3台）中子谱仪等科学实验设施以及相关配套设施组成。整个装置建在离地面13米—18米的地下，以屏蔽辐射。其中直线加速器隧道长240米，环形加速器周长228米，有半个足球场那么大。
散裂中子源究竟是如何工作的呢？陈元柏说，在散裂中子源的源头，负氢离子产生后，在直线加速器里加速，经过剥离掉电子转化成质子，质子束积累到足够流强后，再注入环形加速器继续加速，达到16亿电子伏的能量后，从环形加速器引出，经传输线打向金属钨靶，金属钨原子核在高能质子的轰击下，发生散裂反应释放出中子。
一个质子在打靶后大概可以产生20—30个中子。陈元柏告诉南方日报记者，在实际反应中，这个瞬间形成的高能中子束流脉冲非常短又非常强，要经过慢化器慢化处理后，通过中子导管引向各种研究用的谱仪，才能让中子与试验样品的原子碰撞。中子谱仪会记录下碰撞后中子的运动轨迹，供用户进行实验研究。
就大众关心的环境安全问题，陈和生院士说，中国散裂中子源基于新一代加速器，不需要核材料，动力来自电能，辐射控制在环保安全范围内。“在散裂中子源附近居住1年，居民受到的辐射量仅相当于乘1次长途飞机。”
2 评估材料“内伤” 预测材料寿命
“对一些材料进行拉伸，拉到某个程度会断。为什么会断？因为，很多材料在加工或者生产时会受力，这个力存在于材料中，这就是残余应力”。东莞材料基因高等理工研究院院长张书彦说，“这就像把应力‘封印’在材料里，因为肉眼看不到，因此我们就需要通过实验来检测材料的‘内伤’的程度。”
