李中

近年來，我國國防科技領(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”高鐵動車組不斷提速、國產(chǎn)航母成功下水……這些大國重器的研發(fā)成功使我國走上了科技發(fā)展的快車道。在這些大國重器的研發(fā)過程中，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？利用X射線等常規(guī)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了國防科技發(fā)展的需求。為了能夠深層次地探測材料部件深部機(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國家科技綜合實(shí)力的重要標(biāo)志之一。在我國，建設(shè)自己的中子散射科研平臺，不用千里迢迢遠(yuǎn)赴國外開展中子散射實(shí)驗(yàn)研究，不僅是中國科學(xué)家心中的夙愿，也是當(dāng)前我國航空、航天、核工業(yè)等重大裝備前沿研究領(lǐng)域的迫切需求。

中國原子能科學(xué)研究院中子散射實(shí)驗(yàn)室成（以下簡稱“中子散射實(shí)驗(yàn)室”）立于1981年，是我國最早開展中子散射實(shí)驗(yàn)研究的基地。這個承載著科學(xué)家夢想的科學(xué)平臺，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，我們來到了中子散射實(shí)驗(yàn)室，為公眾揭開這個前沿科學(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

陽光普照，大干世界的色彩賞心悅目，我們通過雙眼洞察世界萬物的美好。其實(shí)，中子散射技術(shù)與我們?nèi)粘Ｓ^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）引出的中子束（相當(dāng)于可見光）為探針，通過中子探測器（相當(dāng)于眼睛）收集與被研究對象相互作用后中子能量與動量的變化以及相應(yīng)中子強(qiáng)度分布情況，然后通過電腦程序分析處理（相當(dāng)于人腦）來獲取被研究對象內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)和動力學(xué)等相關(guān)信息（多彩的微觀世界）。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，它們在做什么”。

中子散射技術(shù)是研究材料微觀結(jié)構(gòu)和觀測材料內(nèi)部動力學(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、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，其相干散射長度與各元素的原子序數(shù)無關(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，不僅能夠開展大型工程部件深度無損檢測測量，而且還可加載高低溫、磁場、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)時測量;中子具有較寬的波長范圍，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、分子的熱振動能量相當(dāng)，是研究晶格動力學(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)中國原子能科學(xué)研究院）的我國第一座研究堆——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、葉春堂等老一輩專家積極推動與由王大珩擔(dān)任所長的長春光機(jī)所合作，在重水反應(yīng)堆上建造了一臺中子晶體譜儀（“躍進(jìn)一號”）和我國第一臺中子衍射譜儀，這也成為我國中子散射研究的發(fā)端。

1981年，在錢三強(qiáng)和章綜院士的倡導(dǎo)下，中國原子能科學(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第一個中子散射實(shí)驗(yàn)室，并于1988年建成當(dāng)時亞洲處于領(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)子中子飛行時間譜儀、中子三軸譜儀、廣角鈹過濾探測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際水平的工作，并培養(yǎng)出一支專業(yè)的中子散射團(tuán)隊(duì)。

但是受制于高昂的中子譜儀造價和反應(yīng)堆運(yùn)行費(fèi)用，再加上國家經(jīng)濟(jì)條件限制無法給予專項(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)過幾十年的發(fā)展，中子散射的重要性已經(jīng)得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家已經(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作用。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國力的不斷增加，我國政府也逐步加強(qiáng)對中子散射技術(shù)的支持，我國中子散射技術(shù)的發(fā)展也自此走上了快車道。

2007年，隨著為我國核科學(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)到國際一流水平的“中國先進(jìn)研究堆”為我國中子散射事業(yè)的發(fā)展迎來了曙光。但是，中國先進(jìn)研究堆立項(xiàng)時用于建設(shè)中子譜儀的經(jīng)費(fèi)非常有限，可如果不在建設(shè)研究堆的同時盡快建造中子譜儀，那么反應(yīng)堆建成后也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法發(fā)揮它的作用。

當(dāng)時，時任中子散射實(shí)驗(yàn)室主任的陳東風(fēng)研究員勇?lián)厝?，面對這一被動局面，充分借鑒國外中子散射科學(xué)平臺的發(fā)展方式，提出了國內(nèi)外多渠道合作共贏的譜儀研制開發(fā)模式。

在國際合作方面，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)過與幾個國家的激烈競爭，以很小的代價從德國于力希實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了當(dāng)時造價近億人民幣的三臺先進(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，每年通過交換人員的方式加強(qiáng)交流合作，打開了國際人才培養(yǎng)的重要突破口。

在國內(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)、中國人民大學(xué)、中南大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)等高校及科研院所，在國家自然科學(xué)基金委、國家科技部、國家教育部等部門的大力支持下強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合共同研制中子譜儀并開展中子散射研究。

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）、應(yīng)力譜儀、織構(gòu)譜儀、四圓譜儀、熱中子三軸譜儀（2臺）、小角譜儀和反射譜儀這9臺一期中子散射譜儀和中子照相測試平臺的建設(shè)，中國先進(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）、多功能飛行時間譜儀等四臺譜儀，以滿足不斷增長的用戶需求。

助力國防 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。此外，在滿足國防、軍工、核能等國家重大需求領(lǐng)域方面，中子散射技術(shù)為新型材料研發(fā)、關(guān)鍵裝備無損檢測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損檢測技術(shù)方法體系，著重開展三維、無損、深度的應(yīng)力測量、體織構(gòu)測試以及部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的宏觀成像分析，以滿足我國在核電、航空、新能源、石化等領(lǐng)域的重大需求，將為我國航空航天、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)力譜儀用于無損測量材料及部件內(nèi)部殘余應(yīng)力的測量。殘余應(yīng)力是指材料在加工過程中由于不均勻的應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場和組織不均勻性，在變形后的變形體內(nèi)保留下來的應(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、微觀應(yīng)力與工程部件使用過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)譜儀是我國第一臺專用于織構(gòu)測量的中子譜儀。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)類似于天然纖維或織物的結(jié)構(gòu)和紋理，故稱之為織構(gòu)。通過測量工程材料在加工過程中其織構(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，還可開展考古和地質(zhì)領(lǐng)域材料織構(gòu)的研究工作，通過研究得到樣品的歷史信息，如地殼深處礦物的形成機(jī)理、古代化石的形成過程等。中子照相技術(shù)是通過分析中子束穿過樣品引起的強(qiáng)度變化，來獲取樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化圖像的方法。中子照相與X射線和Gamma射線成像一樣，屬于材料無損檢測和無損評價學(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、適用樣品范圍廣等突出的優(yōu)勢。中子照相作為一種無損檢測手段，能夠獲取許多其它射線照相方法無法得到的信息，目前在航天、航空、軍工、核工業(yè)、石油、化工、能源存儲、汽車工業(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。

繼往開來，隨著“中國制造2025”強(qiáng)國戰(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。