中子散射：探索微觀(guān)世界 助力國(guó)計(jì)民生

李中

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)防科技領(lǐng)域重大突破不斷涌現(xiàn)：C919大型客機(jī)首飛成功、“復(fù)興號(hào)”高鐵動(dòng)車(chē)組不斷提速、國(guó)產(chǎn)航母成功下水……這些大國(guó)重器的研發(fā)成功使我國(guó)走上了科技發(fā)展的快車(chē)道。在這些大國(guó)重器的研發(fā)過(guò)程中，哪種材料最合適？哪種構(gòu)型最安全？出現(xiàn)了問(wèn)題是什么原因引起的？利用X射線(xiàn)等常規(guī)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了國(guó)防科技發(fā)展的需求。為了能夠深層次地探測(cè)材料部件深部機(jī)理的技術(shù)——“中子散射技術(shù)”挺身而出，并已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮了自己強(qiáng)大的作用。

目前，中子散射技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，該技術(shù)的發(fā)展水平和應(yīng)用程度已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。在我國(guó)，建設(shè)自己的中子散射科研平臺(tái)，不用千里迢迢遠(yuǎn)赴國(guó)外開(kāi)展中子散射實(shí)驗(yàn)研究，不僅是中國(guó)科學(xué)家心中的夙愿，也是當(dāng)前我國(guó)航空、航天、核工業(yè)等重大裝備前沿研究領(lǐng)域的迫切需求。

中國(guó)原子能科學(xué)研究院中子散射實(shí)驗(yàn)室成（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中子散射實(shí)驗(yàn)室”）立于1981年，是我國(guó)最早開(kāi)展中子散射實(shí)驗(yàn)研究的基地。這個(gè)承載著科學(xué)家夢(mèng)想的科學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行了那些探索？發(fā)揮了哪些作用？作出了哪些貢獻(xiàn)？

帶著這些疑問(wèn)，我們來(lái)到了中子散射實(shí)驗(yàn)室，為公眾揭開(kāi)這個(gè)前沿科學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室的神秘面紗。

中子散射實(shí)驗(yàn)室的前世今生

陽(yáng)光普照，大干世界的色彩賞心悅目，我們通過(guò)雙眼洞察世界萬(wàn)物的美好。其實(shí)，中子散射技術(shù)與我們?nèi)粘Ｓ^(guān)察世界的手段和方法有異曲同工之妙。所謂中子散射技術(shù)，就是以中子源（相當(dāng)于太陽(yáng)）引出的中子束（相當(dāng)于可見(jiàn)光）為探針，通過(guò)中子探測(cè)器（相當(dāng)于眼睛）收集與被研究對(duì)象相互作用后中子能量與動(dòng)量的變化以及相應(yīng)中子強(qiáng)度分布情況，然后通過(guò)電腦程序分析處理（相當(dāng)于人腦）來(lái)獲取被研究對(duì)象內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)等相關(guān)信息（多彩的微觀(guān)世界）。通俗地講，中子散射技術(shù)可以告訴我們“物質(zhì)世界中原子、分子在哪里，它們?cè)谧鍪裁础薄?/p>

中子散射技術(shù)是研究材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)和觀(guān)測(cè)材料內(nèi)部動(dòng)力學(xué)行為的有效手段，可謂是材料研究界的“火眼金睛”。與X射線(xiàn)、電子等表征工具相比，中子的性質(zhì)決定了中子散射技術(shù)具有許多獨(dú)到之處：中子作為原子核的核子之一，不帶電，直接與原子核發(fā)生作用，其相干散射長(zhǎng)度與各元素的原子序數(shù)無(wú)關(guān)，且各同位素因核結(jié)構(gòu)不同而具有不同的相干散射長(zhǎng)度，因此能區(qū)分同位素和鄰近元素;中子具有磁矩，能夠獲得磁性材料的磁結(jié)構(gòu)信息;中子具有極強(qiáng)的穿透能力，不僅能夠開(kāi)展大型工程部件深度無(wú)損檢測(cè)測(cè)量，而且還可加載高低溫、磁場(chǎng)、壓力等極端樣品環(huán)境，實(shí)現(xiàn)材料在極端條件下的原位實(shí)時(shí)測(cè)量;中子具有較寬的波長(zhǎng)范圍，其研究空間尺度范圍涵蓋毫米、微米、納米乃至埃米，研究對(duì)象小到分子、原子，大到病毒、細(xì)胞、工程部件等;冷、熱中子的能量與原子、分子的熱振動(dòng)能量相當(dāng)，是研究晶格動(dòng)力學(xué)的最佳選擇之一。

1958年6月13日，位于中科院原子能研究所（現(xiàn)中國(guó)原子能科學(xué)研究院）的我國(guó)第一座研究堆——重水研究堆首次達(dá)到臨界，并于當(dāng)年9月27日正式投入運(yùn)行。在錢(qián)三強(qiáng)、何澤慧等所領(lǐng)導(dǎo)的支持下，戴傳增、張煥喬、葉春堂等老一輩專(zhuān)家積極推動(dòng)與由王大珩擔(dān)任所長(zhǎng)的長(zhǎng)春光機(jī)所合作，在重水反應(yīng)堆上建造了一臺(tái)中子晶體譜儀（“躍進(jìn)一號(hào)”）和我國(guó)第一臺(tái)中子衍射譜儀，這也成為我國(guó)中子散射研究的發(fā)端。

1981年，在錢(qián)三強(qiáng)和章綜院士的倡導(dǎo)下，中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中科院物理所和低溫中心依托重水堆共同建立了我國(guó)第一個(gè)中子散射實(shí)驗(yàn)室，并于1988年建成當(dāng)時(shí)亞洲處于領(lǐng)先水平的液氫冷卻的冷中子源。實(shí)驗(yàn)室共擁有6臺(tái)中子譜儀（中子粉末衍射儀、中子四圓衍射儀、雙轉(zhuǎn)子中子飛行時(shí)間譜儀、中子三軸譜儀、廣角鈹過(guò)濾探測(cè)器非彈性散射中子譜儀、中子小角散射譜儀），在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等方面作出了一批具有國(guó)際水平的工作，并培養(yǎng)出一支專(zhuān)業(yè)的中子散射團(tuán)隊(duì)。

但是受制于高昂的中子譜儀造價(jià)和反應(yīng)堆運(yùn)行費(fèi)用，再加上國(guó)家經(jīng)濟(jì)條件限制無(wú)法給予專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的支持，從1981年實(shí)驗(yàn)室成立至21世紀(jì)初，我國(guó)中子散射技術(shù)的發(fā)展緩慢。

更新?lián)Q代 多渠道合作煥發(fā)新活力

自20世紀(jì)50年代起步，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，中子散射的重要性已經(jīng)得到國(guó)際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將中子散射技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，對(duì)于提升各學(xué)科領(lǐng)域科學(xué)研究水平、提高尖端產(chǎn)品研發(fā)能力起到了重要的推動(dòng)作用。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國(guó)力的不斷增加，我國(guó)政府也逐步加強(qiáng)對(duì)中子散射技術(shù)的支持，我國(guó)中子散射技術(shù)的發(fā)展也自此走上了快車(chē)道。

2007年，隨著為我國(guó)核科學(xué)核技術(shù)發(fā)展作出卓越貢獻(xiàn)的重水研究堆的光榮退役，設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際一流水平的“中國(guó)先進(jìn)研究堆”為我國(guó)中子散射事業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了曙光。但是，中國(guó)先進(jìn)研究堆立項(xiàng)時(shí)用于建設(shè)中子譜儀的經(jīng)費(fèi)非常有限，可如果不在建設(shè)研究堆的同時(shí)盡快建造中子譜儀，那么反應(yīng)堆建成后也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法發(fā)揮它的作用。

當(dāng)時(shí)，時(shí)任中子散射實(shí)驗(yàn)室主任的陳東風(fēng)研究員勇?lián)厝危鎸?duì)這一被動(dòng)局面，充分借鑒國(guó)外中子散射科學(xué)平臺(tái)的發(fā)展方式，提出了國(guó)內(nèi)外多渠道合作共贏(yíng)的譜儀研制開(kāi)發(fā)模式。

在國(guó)際合作方面，中子散射實(shí)驗(yàn)室首先與瑞典研究堆合作，引進(jìn)了中子殘余應(yīng)力譜儀的關(guān)鍵部件。緊接著，實(shí)驗(yàn)室又經(jīng)過(guò)與幾個(gè)國(guó)家的激烈競(jìng)爭(zhēng)，以很小的代價(jià)從德國(guó)于力希實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了當(dāng)時(shí)造價(jià)近億人民幣的三臺(tái)先進(jìn)中子譜儀，并與德方簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議成立中德聯(lián)合中子散射實(shí)驗(yàn)室，每年通過(guò)交換人員的方式加強(qiáng)交流合作，打開(kāi)了國(guó)際人才培養(yǎng)的重要突破口。

在國(guó)內(nèi)合作方面，中子散射實(shí)驗(yàn)室先后與中科院化學(xué)所、中科院物理所、北京大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、中南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)等高校及科研院所，在國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、國(guó)家教育部等部門(mén)的大力支持下強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合共同研制中子譜儀并開(kāi)展中子散射研究。

目前，原子能院中子散射實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了粉末譜儀（2臺(tái)）、應(yīng)力譜儀、織構(gòu)譜儀、四圓譜儀、熱中子三軸譜儀（2臺(tái)）、小角譜儀和反射譜儀這9臺(tái)一期中子散射譜儀和中子照相測(cè)試平臺(tái)的建設(shè)，中國(guó)先進(jìn)研究堆中子散射大科學(xué)初具規(guī)模，并已成功獲得首批實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前，二期譜儀中的冷中子三軸譜儀、冷中子廣譜譜儀、工業(yè)應(yīng)用譜儀、熱中子照相裝置、冷中子照相裝置、熱中子活化分析裝置、冷中子活化分析裝置、常規(guī)活化分析裝置共計(jì)8臺(tái)設(shè)備正在建設(shè)之中。在第三期譜儀的規(guī)劃中，中心計(jì)劃建設(shè)冷中子衍射譜儀、極化反射譜儀、工業(yè)應(yīng)用小角譜儀（40m）、多功能飛行時(shí)間譜儀等四臺(tái)譜儀，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的用戶(hù)需求。

助力國(guó)防 服務(wù)民生

現(xiàn)今，中子散射已廣泛地應(yīng)用到材料、物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)、能源、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等眾多研究領(lǐng)域，中國(guó)先進(jìn)研究堆中子散射大科學(xué)裝置為眾多學(xué)科及前沿交叉領(lǐng)域提供了先進(jìn)的研究手段，已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學(xué)研究和先進(jìn)工業(yè)應(yīng)用的重要平臺(tái)。此外，在滿(mǎn)足國(guó)防、軍工、核能等國(guó)家重大需求領(lǐng)域方面，中子散射技術(shù)為新型材料研發(fā)、關(guān)鍵裝備無(wú)損檢測(cè)等也提供了不可替代的研究工具。特別是中子殘余應(yīng)力譜儀、中子織構(gòu)譜儀和中子照相裝置在軍工領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

在現(xiàn)代化、高端化制造過(guò)程中，工程構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用都是以構(gòu)件的尺寸精度、應(yīng)力狀態(tài)和材料微結(jié)構(gòu)的精確控制為根本前提。原子能院基于中國(guó)先進(jìn)研究堆中子散射大科學(xué)裝置，現(xiàn)已建立完備的中子束無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法體系，著重開(kāi)展三維、無(wú)損、深度的應(yīng)力測(cè)量、體織構(gòu)測(cè)試以及部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)成像分析，以滿(mǎn)足我國(guó)在核電、航空、新能源、石化等領(lǐng)域的重大需求，將為我國(guó)航空航天、高鐵及核工業(yè)等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)與功能材料的自主設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及發(fā)揮現(xiàn)有材料的性能潛力提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

中子殘余應(yīng)力譜儀用于無(wú)損測(cè)量材料及部件內(nèi)部殘余應(yīng)力的測(cè)量。殘余應(yīng)力是指材料在加工過(guò)程中由于不均勻的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組織不均勻性，在變形后的變形體內(nèi)保留下來(lái)的應(yīng)力。它是直接影響工程材料和部件疲勞、應(yīng)力腐蝕、微動(dòng)磨損等使用效能的關(guān)鍵因素，工程關(guān)鍵部件的使用壽命、抗疲勞可靠性或使用精度都與殘余應(yīng)力密切相關(guān)。殘余應(yīng)力測(cè)量可以研究焊接技術(shù)、鑄造和鍛造成形工藝，噴丸、表面硬化等表面變形工藝，應(yīng)力腐蝕裂紋等，還可研究材料內(nèi)部宏觀(guān)、微觀(guān)應(yīng)力與工程部件使用過(guò)程中材料損傷的相關(guān)聯(lián)性，準(zhǔn)確預(yù)估服役安全及使用壽命。

CARR中子織構(gòu)譜儀是我國(guó)第一臺(tái)專(zhuān)用于織構(gòu)測(cè)量的中子譜儀。多晶材料由于受到外界條件或不同加工工藝的影響，材料中的各晶粒會(huì)沿著某些方向排列，呈現(xiàn)出或多或少的統(tǒng)計(jì)不均勻分布。這種組織結(jié)構(gòu)及規(guī)則聚集排列狀態(tài)類(lèi)似于天然纖維或織物的結(jié)構(gòu)和紋理，故稱(chēng)之為織構(gòu)。通過(guò)測(cè)量工程材料在加工過(guò)程中其織構(gòu)的形成和變化規(guī)律，為改善核工業(yè)、航空、航天、汽車(chē)以及軍工等領(lǐng)域所用材料的處理工藝、部件加工流程提供重要的理論依據(jù)。比如，研究制備加工、使用條件等因素對(duì)鋯合金包殼材料（核燃料元件包殼和堆芯的其它結(jié)構(gòu)材料）織構(gòu)的影響，進(jìn)而探索織構(gòu)的形成對(duì)其力學(xué)性能、輻照性能及吸氫特性的影響，改善和提高鋯合金包殼材料的綜合性能，適應(yīng)新一代反應(yīng)堆的發(fā)展要求。利用中子的深穿透性和非破壞性，還可開(kāi)展考古和地質(zhì)領(lǐng)域材料織構(gòu)的研究工作，通過(guò)研究得到樣品的歷史信息，如地殼深處礦物的形成機(jī)理、古代化石的形成過(guò)程等。中子照相技術(shù)是通過(guò)分析中子束穿過(guò)樣品引起的強(qiáng)度變化，來(lái)獲取樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化圖像的方法。中子照相與X射線(xiàn)和Gamma射線(xiàn)成像一樣，屬于材料無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損評(píng)價(jià)學(xué)科領(lǐng)域，但相比之下，中子成像具有穿透性強(qiáng)、成像直觀(guān)、適用樣品范圍廣等突出的優(yōu)勢(shì)。中子照相作為一種無(wú)損檢測(cè)手段，能夠獲取許多其它射線(xiàn)照相方法無(wú)法得到的信息，目前在航天、航空、軍工、核工業(yè)、石油、化工、能源存儲(chǔ)、汽車(chē)工業(yè)、電子元器件、材料學(xué)、冶金工業(yè)、醫(yī)學(xué)、建筑、考古、生物學(xué)等領(lǐng)域中有著廣泛的需求和應(yīng)用。

繼往開(kāi)來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的深入實(shí)施，中子散射技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用。