質(zhì)子，在這里加速
——解碼世界首臺(tái)質(zhì)子位移損傷效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置本報(bào)記者 王迎霞 頡滿斌
隆冬，塞外。風(fēng)刀霜?jiǎng)醪蛔√骄康臒崆椤?/p>
從甘肅蘭州一路向西，跨越2000公里，科技日?qǐng)?bào)記者來到中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱“新疆理化所”)。這里，有世界首臺(tái)質(zhì)子位移損傷效應(yīng)模擬試驗(yàn)裝置(PREF)——60MeV(兆電子伏)質(zhì)子加速器。
肉眼不及之處，上億個(gè)帶電質(zhì)子正在以零點(diǎn)幾倍光速飛奔。它們集結(jié)起來，浩浩蕩蕩，形成束流。
小小質(zhì)子，能做什么？
“長(zhǎng)久以來，我國(guó)缺乏能夠全面評(píng)估器件在軌輻射損傷風(fēng)險(xiǎn)的重器，這給航天器和載荷帶來嚴(yán)重隱患。”中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所(以下簡(jiǎn)稱“近代物理所”)加速器總體室副研究員阮爽告訴記者，PREF將為器件空間位移損傷效應(yīng)、試驗(yàn)評(píng)估方法研究提供重要支撐。
作為科技創(chuàng)新的國(guó)家隊(duì)，2018年11月，中國(guó)科學(xué)院挑起重?fù)?dān)：由新疆理化所牽頭，位于甘肅蘭州的近代物理所擔(dān)綱設(shè)計(jì)，聯(lián)合建設(shè)PREF，用于開展地面模擬試驗(yàn)。
一條“圍巾”
位于烏魯木齊新市區(qū)科學(xué)二街的一座普通小樓，看上去并無特別之處，只有樓前紅色條幅上“調(diào)試成功”的字樣，讓它顯得與眾不同。
記者跟隨阮爽走進(jìn)這座小樓，乘電梯而下，來到加速器大廳，PREF的硬件設(shè)備就在眼前。
“鳥瞰”這個(gè)詞，不適用于PREF。
裝置建在地下，占地面積約兩畝，無法飽覽它的全貌。但當(dāng)記者走進(jìn)它的“心腹”，看到各式儀器組成的方陣時(shí)，還是被深深震撼了。
整個(gè)加速器由質(zhì)子源、直線注入器、同步加速器和兩個(gè)終端構(gòu)成。從示意圖看，它像一條打了結(jié)的圍巾——同步加速器是“圍脖”，質(zhì)子源和終端是隨風(fēng)飄起的兩端。
從防護(hù)門進(jìn)入，放眼望去，視線最先會(huì)被藍(lán)色、黃色、銀色的方塊所吸引。它們是PREF的重要工作單元：磁鐵和腔體。
“藍(lán)色二極磁鐵是讓質(zhì)子轉(zhuǎn)彎的，黃色四極磁鐵是約束質(zhì)子在管道里運(yùn)動(dòng)的，那個(gè)銀色的磁合金高頻腔是讓質(zhì)子加速的�！比钏嬖V記者。
這些大塊頭順接起來，形成一個(gè)環(huán)狀，即同步加速器。目測(cè)不大，周長(zhǎng)確實(shí)也只有18米，為國(guó)內(nèi)最小。
“小型化是PREF的突出優(yōu)點(diǎn)�！奔铀倨骺傮w室副主任申國(guó)棟自豪地說，“因?yàn)樾。牡墓β示托�，更方便推廣應(yīng)用。”
阮爽指著藍(lán)色方塊比劃道：“你仔細(xì)看，下面有線圈。給它通上強(qiáng)電流，就能讓束流沿著同步加速器轉(zhuǎn)圈�！�
束流每轉(zhuǎn)一圈，經(jīng)過高頻磁合金加載腔一次，速度就增加一點(diǎn)。上百萬(wàn)圈后，最大可達(dá)約0.35倍光速，慢引出到終端開展質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)。
在這條“圍巾”上，還點(diǎn)綴著一些銀色圓柱體，它們是鈦升華泵。鈦升華泵利用表面活潑的鈦膜抽除氣體，以獲得并保持極高真空度。
“2.5MeV的低能質(zhì)子注入時(shí)，必須給它提供一個(gè)高真空環(huán)境�！鄙陣�(guó)棟說，“否則束流很快全沒了。”
兩項(xiàng)絕活
“電源和真空技術(shù)是PREF的兩項(xiàng)絕活�！比钏瑤в浾哌吙催吔榻B。
快速的磁場(chǎng)變化速率必須依靠快循環(huán)電源，但傳統(tǒng)電源在快循環(huán)狀態(tài)下工作，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊。為解決這一問題，近代物理所提出了全儲(chǔ)能非諧振大功率電源新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)能把磁鐵負(fù)載中的能量回收到電源，方便下一次脈沖使用，既降本增效，又節(jié)能減排。
快循環(huán)真空室是PREF的另一個(gè)挑戰(zhàn)。
解決方案有兩種：一種是薄壁加筋，另一種是全陶瓷真空室。
“前者是給0.3毫米厚的不銹鋼真空室外側(cè)焊上一圈加強(qiáng)筋，效果很好，但要用一種特制鋼材，國(guó)內(nèi)沒有生產(chǎn)廠家。而后者，又沒有一體成型大尺寸陶瓷真空室制作技術(shù)，用現(xiàn)有技術(shù)會(huì)發(fā)生漏氣�！鄙陣�(guó)棟說。
怎么破題？
2019年初，近代物理所加速器中心主任、強(qiáng)流重離子加速器裝置(HIAF)總工程師楊建成帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)吃起了“螃蟹”。
技術(shù)攻關(guān)討論會(huì)上，團(tuán)隊(duì)成員“腦洞大開”——既然能在真空室的外面加筋，為什么不能在里面加？就像城門洞里的拱券，應(yīng)該特別結(jié)實(shí)。
團(tuán)隊(duì)用了3年時(shí)間，創(chuàng)新性提出陶瓷內(nèi)襯真空室方案。經(jīng)過3次技術(shù)迭代升級(jí)，他們最終制作出鈦合金內(nèi)襯極高真空室。
這個(gè)方案得到了歐洲核子研究中心資深技術(shù)專家弗里茨·卡斯珀斯的贊賞。他建議以“China Dragon”(中國(guó)龍)為真空室命名。
當(dāng)記者提出“很想目睹它的真容”時(shí)，阮爽笑起來：“真空室在磁鐵里嵌著，而鈦合金內(nèi)襯骨架在真空室里，看不到。”
三個(gè)愿望
離開加速器大廳返回地面，記者又來到中央控制室。這里有電源、高頻功率源、束診與真空等遠(yuǎn)程操控設(shè)備，以及水冷通風(fēng)、控制網(wǎng)絡(luò)、輻射防護(hù)等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行井然有序。
在中央控制室，記者見到了加速器總體室助理研究員姚麗萍。她和阮爽從蘭州來到新疆，已經(jīng)在這里工作了大半年。
“只有練好‘基本功’、打好‘配合戰(zhàn)’，才能把事情做漂亮。我經(jīng)常想起楊主任的這番話。”姚麗萍說。
在蘭州坐鎮(zhèn)指揮的楊建成對(duì)此并不否認(rèn)：“我要求高，說話又直，對(duì)他們非�？量獭Ｋ麄兌家呀�(jīng)習(xí)慣了�！�
苛刻，源于刻骨的教訓(xùn)。“我們第一次在甘肅武威調(diào)試裝置，犯了很多低級(jí)錯(cuò)誤�！逼渲杏袀�(gè)錯(cuò)，楊建成足足用了半年時(shí)間才找出來。
從那以后，為保證設(shè)備上線順利，每個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)都要反復(fù)多次。在楊建成的嚴(yán)格要求下，加速器團(tuán)隊(duì)膽大心細(xì)，善打硬仗。
2023年3月，工藝設(shè)備進(jìn)場(chǎng)安裝；8月9日測(cè)試完成，準(zhǔn)備調(diào)試出束。憑借以往經(jīng)驗(yàn)，楊建成和團(tuán)隊(duì)做好了“大干3個(gè)月”的準(zhǔn)備。
孰料，當(dāng)天就傳來好消息：PREF建成出束，不僅成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)子的高效均勻引出，更能滿足器件照射需求，可以為我國(guó)空間輻射效應(yīng)研究提供先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
接到報(bào)喜電話時(shí)，楊建成從蘭州搭乘的前往烏魯木齊的飛機(jī)剛剛著陸。“原本準(zhǔn)備再給團(tuán)隊(duì)助把力，沒想到他們給我一個(gè)這么大的驚喜！”
那一刻，常年繃著一根弦的楊建成終于得到片刻放松。他跟團(tuán)隊(duì)成員開起玩笑：“那我現(xiàn)在是不是就可以回去了？”掛斷電話，楊建成鼻頭一酸：“項(xiàng)目是給航天用的，這些年從來沒有松懈過�！�
奮斗不息，創(chuàng)新不止。接下來，楊建成計(jì)劃結(jié)合人工智能等技術(shù)，對(duì)PREF進(jìn)行深入的規(guī)劃。
他有三個(gè)愿望：讓非專業(yè)人員也能操作PREF；把它做成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，用戶可直接購(gòu)買；結(jié)合新原理、新技術(shù)、新材料，讓它繼續(xù)變小，加速推廣應(yīng)用步伐。
“相信再有10年，我們質(zhì)子加速器的研究水平一定能站在國(guó)際前沿，造福全人類！”展望未來，楊建成的話語(yǔ)擲地有聲。
