首個中子科學(xué)平臺 交出三年“成績單”
我們要制造自己的大飛機(jī)、高鐵、戰(zhàn)艦,哪種材料最合適?哪種構(gòu)型最安全?出現(xiàn)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(yùn)動狀態(tài)的“中子散射技術(shù)”。
2015年,中國工程物理研究院(簡稱中物院)核物理與化學(xué)研究所研制出國內(nèi)首個投入科學(xué)研究和工程應(yīng)用的中子科學(xué)平臺,成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)的最重要工具之一。運(yùn)行3年來,這個承載著老一輩科學(xué)家夢想的科學(xué)平臺,發(fā)揮了哪些作用?日前,科技日報記者進(jìn)行了采訪。
回答“原子在做什么”
利用中子測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)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(dāng)前測定物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、無損檢測材料殘余應(yīng)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(yīng)堆和散裂中子源能產(chǎn)生用于中子散射實(shí)驗的中子束流,其中反應(yīng)堆中子源是連續(xù)的穩(wěn)態(tài)中子束流,散裂中子源產(chǎn)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(xué)平臺依托2011年首次達(dá)到滿功率運(yùn)行、固有安全性好、實(shí)驗空間大的中國綿陽研究堆和國內(nèi)首臺冷中子源建立,擁有“麒麟”“鳳凰”等6臺譜儀。
平臺負(fù)責(zé)人說,3年來在有機(jī)光電材料、高分子物理、可燃冰研究、國產(chǎn)發(fā)動機(jī)研制等重要研究領(lǐng)域,都可以找到中子科學(xué)平臺的身影。“平臺首次實(shí)現(xiàn)通過中子方式,快速準(zhǔn)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(dá)50公斤的發(fā)動機(jī)渦輪盤在特定區(qū)域的三維殘余應(yīng)力分布準(zhǔn)確數(shù)據(jù),并成為世界上少數(shù)具備可燃冰水合物研究條件的實(shí)驗室之一。”
“透視”發(fā)動機(jī)渦輪盤
航空、航天發(fā)動機(jī)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(yīng)力作用下長期工作,并能夠抗氧化、抗腐蝕,只有準(zhǔn)確測量其應(yīng)力分布的數(shù)值,才能優(yōu)化其制造工藝。
“而要在不破壞部件結(jié)構(gòu)的前提下,獲取高溫合金材料內(nèi)三維殘余應(yīng)力的完整分布數(shù)據(jù),中子殘余應(yīng)力分析是唯一方法。”科研團(tuán)隊成員說,用于測量材料微觀力學(xué)行為、代號“麒麟”的中子應(yīng)力分析譜儀,目前已在我國航空航天領(lǐng)域初顯身手。團(tuán)隊在國內(nèi)首次獲得直徑1100毫米重達(dá)50公斤的發(fā)動機(jī)渦輪盤特定區(qū)域三維殘余應(yīng)力分布的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),還先后多次完成了飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪盤、葉片和飛機(jī)蒙皮內(nèi)部殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)、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(tuán)隊已搭建了高壓低溫水合物合成與表征實(shí)驗系統(tǒng),成為世界上少數(shù)具備可燃冰水合物研究條件的實(shí)驗室之一。
為滿足多個領(lǐng)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(tuán)隊為平臺研發(fā)、制備了多種原位環(huán)境設(shè)備,還有測角儀、電磁鐵、剪切流變儀等國際常用的原位環(huán)境設(shè)備平臺。
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