【走近大国重器】

◎本报记者 王迎霞 颉满斌

隆冬,塞外。风刀霜剑挡不住探究的热情。

从甘肃兰州一路向西,跨越2000公里,科技日报记者来到中国科学院新疆理化技术研究所(以下简称“新疆理化所”)。这里,有世界首台质子位移损伤效应模拟试验装置(PREF)——60MeV(兆电子伏)质子加速器。

肉眼不及之处,上亿个带电质子正在以零点几倍光速飞奔。它们集结起来,浩浩荡荡,形成束流。

小小质子,能做什么?

“长久以来,我国缺乏能够全面评估器件在轨辐射损伤风险的重器,这给航天器和载荷带来严重隐患。”中国科学院近代物理研究所(以下简称“近代物理所”)加速器总体室副研究员阮爽告诉记者,PREF将为器件空间位移损伤效应、试验评估方法研究提供重要支撑。

作为科技创新的国家队,2018年11月,中国科学院挑起重担:由新疆理化所牵头,位于甘肃兰州的近代物理所担纲设计,联合建设PREF,用于开展地面模拟试验。

一条“围巾”

位于乌鲁木齐新市区科学二街的一座普通小楼,看上去并无特别之处,只有楼前红色条幅上“调试成功”的字样,让它显得与众不同。

记者跟随阮爽走进这座小楼,乘电梯而下,来到加速器大厅,PREF的硬件设备就在眼前。

“鸟瞰”这个词,不适用于PREF。

装置建在地下,占地面积约两亩,无法饱览它的全貌。但当记者走进它的“心腹”,看到各式仪器组成的方阵时,还是被深深震撼了。

整个加速器由质子源、直线注入器、同步加速器和两个终端构成。从示意图看,它像一条打了结的围巾——同步加速器是“围脖”,质子源和终端是随风飘起的两端。

从防护门进入,放眼望去,视线最先会被蓝色、黄色、银色的方块所吸引。它们是PREF的重要工作单元:磁铁和腔体。

“蓝色二极磁铁是让质子转弯的,黄色四极磁铁是约束质子在管道里运动的,那个银色的磁合金高频腔是让质子加速的。”阮爽告诉记者。

这些大块头顺接起来,形成一个环状,即同步加速器。目测不大,周长确实也只有18米,为国内最小。

“小型化是PREF的突出优点。”加速器总体室副主任申国栋自豪地说,“因为小,它消耗的功率就小,更方便推广应用。”

阮爽指着蓝色方块比划道:“你仔细看,下面有线圈。给它通上强电流,就能让束流沿着同步加速器转圈。”

束流每转一圈,经过高频磁合金加载腔一次,速度就增加一点。上百万圈后,最大可达约0.35倍光速,慢引出到终端开展质子辐照实验。

在这条“围巾”上,还点缀着一些银色圆柱体,它们是钛升华泵。钛升华泵利用表面活泼的钛膜抽除气体,以获得并保持极高真空度。

“2.5MeV的低能质子注入时,必须给它提供一个高真空环境。”申国栋说,“否则束流很快全没了。”

两项绝活

“电源和真空技术是PREF的两项绝活。”阮爽带记者边看边介绍。

快速的磁场变化速率必须依靠快循环电源,但传统电源在快循环状态下工作,会对电网造成严重冲击。为解决这一问题,近代物理所提出了全储能非谐振大功率电源新技术。这项技术能把磁铁负载中的能量回收到电源,方便下一次脉冲使用,既降本增效,又节能减排。

快循环真空室是PREF的另一个挑战。

解决方案有两种:一种是薄壁加筋,另一种是全陶瓷真空室。

“前者是给0.3毫米厚的不锈钢真空室外侧焊上一圈加强筋,效果很好,但要用一种特制钢材,国内没有生产厂家。而后者,又没有一体成型大尺寸陶瓷真空室制作技术,用现有技术会发生漏气。”申国栋说。

怎么破题?

2019年初,近代物理所加速器中心主任、强流重离子加速器装置(HIAF)总工程师杨建成带领团队吃起了“螃蟹”。

技术攻关讨论会上,团队成员“脑洞大开”——既然能在真空室的外面加筋,为什么不能在里面加?就像城门洞里的拱券,应该特别结实。

团队用了3年时间,创新性提出陶瓷内衬真空室方案。经过3次技术迭代升级,他们最终制作出钛合金内衬极高真空室。

这个方案得到了欧洲核子研究中心资深技术专家弗里茨·卡斯珀斯的赞赏。他建议以“China Dragon”(中国龙)为真空室命名。

当记者提出“很想目睹它的真容”时,阮爽笑起来:“真空室在磁铁里嵌着,而钛合金内衬骨架在真空室里,看不到。”

三个愿望

离开加速器大厅返回地面,记者又来到中央控制室。这里有电源、高频功率源、束诊与真空等远程操控设备,以及水冷通风、控制网络、辐射防护等实时监测系统,运行井然有序。

在中央控制室,记者见到了加速器总体室助理研究员姚丽萍。她和阮爽从兰州来到新疆,已经在这里工作了大半年。

“只有练好‘基本功’、打好‘配合战’,才能把事情做漂亮。我经常想起杨主任的这番话。”姚丽萍说。

在兰州坐镇指挥的杨建成对此并不否认:“我要求高,说话又直,对他们非常苛刻。他们都已经习惯了。”

苛刻,源于刻骨的教训。“我们第一次在甘肃武威调试装置,犯了很多低级错误。”其中有个错,杨建成足足用了半年时间才找出来。

从那以后,为保证设备上线顺利,每个测试环节都要反复多次。在杨建成的严格要求下,加速器团队胆大心细,善打硬仗。

2023年3月,工艺设备进场安装;8月9日测试完成,准备调试出束。凭借以往经验,杨建成和团队做好了“大干3个月”的准备。

孰料,当天就传来好消息:PREF建成出束,不仅成功实现质子的高效均匀引出,更能满足器件照射需求,可以为我国空间辐射效应研究提供先进的实验平台。

接到报喜电话时,杨建成从兰州搭乘的前往乌鲁木齐的飞机刚刚着陆。“原本准备再给团队助把力,没想到他们给我一个这么大的惊喜!”

那一刻,常年绷着一根弦的杨建成终于得到片刻放松。他跟团队成员开起玩笑:“那我现在是不是就可以回去了?”挂断电话,杨建成鼻头一酸:“项目是给航天用的,这些年从来没有松懈过。”

奋斗不息,创新不止。接下来,杨建成计划结合人工智能等技术,对PREF进行深入的规划。

他有三个愿望:让非专业人员也能操作PREF;把它做成标准化模块,用户可直接购买;结合新原理、新技术、新材料,让它继续变小,加速推广应用步伐。

“相信再有10年,我们质子加速器的研究水平一定能站在国际前沿,造福全人类!”展望未来,杨建成的话语掷地有声。