中國散裂中子源首次打靶成功，將助力發動機取得突破

2017年9月2日，一篇名為《中國又一大科學工程：散裂中子源首次打靶成功！》的報道發布之後，國內一片沸騰，表明我國在尖端技術領域又取得重大突破。意味著，中國繼美國、日本和英國後成為世界上第四個掌握散裂中子源打靶技術的國家。該技術將極大地有利於我國在凝聚態物理、醫學生物和航空航天方面的發展研究。特別是在軍事用途上，很可能會令我國的航空發動機技術產生重大突破，實現彎道超車。

世界上的物質由原子和分子組成，而原子由原子核和核外電子組成，在原子核里有一種不帶電的基本粒子——中子。如果沒有中子，由於原子核帶電質子之間存在排斥力，就不可能組成除氫之外的任何其他重粒子。該粒子有個十分優秀的特性，即：能對質量較輕的原子十分敏感，能準確定位出重原子里的輕原子，進而實現對材料微觀結構的成像，檢驗材料質量，這一技術被稱為中子源散射技術。

所謂中子源散射的具體過程是先用一束中子入射到研究的材料上，該中子將會與對象材料發生碰撞，有些穿過對象材料，有些被彈開，這樣就可以根據各個方向的中子的運動特性來觀測出研究材料本身的特性。實際上，大多數的中子會直接穿越而過，不與材料發生碰撞，這是因為原子核只佔了原子的很小一部分體積，我們所看到的世界上一切物質實際上大多數都是空的，視覺是光譜形成的，觸覺是原子之間的排斥力形成的。少量的中子會與原子核發生碰撞，運動方向發生改變，通過測量這些改變了運動方向的中子動能、動量，就可以知道原子核的具體位置和具體類型。

那麼中子源是如何得到的呢？中子源指的是能產生中子的發生裝置。最開始，科學家們使用的是放射性同位素做為中子源，20世紀開始使用加速低能粒子轟擊重金屬的方式產生中子源，但這種方法的效率比較低，檢測材料時的光譜寬度不夠，檢驗能力有限。還有一種反應堆中子源，是在核反應堆里攝取中子作為中子源，受限於核反應堆的溫度，也不難大規模製造。

散裂中子源就是把之前的低能粒子束轟擊改為高能粒子束轟擊，通過轟擊，一些原子核被打成好幾塊，這一過程被稱為散裂，轟擊中產生了質子、中子等各種微型粒子，一般是使用質子轟擊。在質子加速器的作用下，產生約1GeV能力的質子流轟擊鈾材料，這裡的鈾材料又被稱為靶材料，一個質子被打靶後往往能產生幾十個中子，效率大大提高，這些中子就可以直接用於檢驗各種材料了。這就是散裂中子源打靶，相比以前的低能散射技術來說，能檢驗的材料光譜更寬，類型更廣泛。

對應到航空發動機領域，眾所周知，我國的航空發動機主要是工作壽命不過關，這是由兩個因素引起的，第一是發動機的製造工藝，第二是製造發動機的材料，而發動機的原理構造幾乎全世界都是一樣的。在發動機製造工藝上，隨著我國數字機床的研究不斷取得突破和進口機床的成功獲取，已經不存在太大問題，但在發動機材料上中國工程師仍然苦苦思索而不得其法。

航空發動機材料選取的難關在於，每個組件（如葉片）在每個點的溫度要求、純度要求是不一樣的，一旦設置錯誤，就會導致整體性能的下降。例如在某型發動機葉片上，為了降溫，不能全部都冷卻，而只冷卻幾個固定的點，這樣才能在葉片高速旋轉時保持極高的剛性，但這些點是工程實踐摸索出來的，基本沒有任何理論支撐，只有大量的試驗後，才能總結出來。個成功的發動機葉片後面必然有成千上萬個廢舊葉片，這也是為什麼發動機研發如此燒錢的主要原因。

在中子源散裂打靶技術成熟並實際運用後，就可以用該裝置直接對航空發動機的各個部件和原材料進行成分和裂傷、物理形態檢驗，從而確定原材料的成分、比例、原子排列位置，然後進行針對性的調整，相對無目標的重複試驗，成功率自然會大大提高。毫無疑問，這將會極大的加速我國航空發動機發展速度。

中國散裂中子源設施開工建設是在6年前的2011年，相關設備在2010年已完成技術研發。今年，剛完成所有設備設施的建造就傳來散裂中子源打靶成功的喜訊，未來必將在我國科研領域發揮更大的作用。

全文完，謝謝閱讀。

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