走近大科學(xué)工程

記者 陳 瑜

直徑6.16米、重435噸，中核集團(tuán)中國(guó)原子能科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱原子能院)內(nèi)，外人眼里簡(jiǎn)單的大“疙瘩”，卻是國(guó)際上最大的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器、我國(guó)目前自主研制的能量最高的質(zhì)子回旋加速器。

2003年7月，經(jīng)原國(guó)防科工委批準(zhǔn)，大科學(xué)工程——HI-13串列加速器升級(jí)工程立項(xiàng)，通俗地說(shuō)是給已有的HI-13串列加速器“穿靴戴帽”，即在前端新建一臺(tái)100MeV(兆電子伏)強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器，一臺(tái)質(zhì)量分辨率為20000的在線同位素分離器;后端新建一臺(tái)重離子超導(dǎo)直線增能器，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)功能。

“從事大科學(xué)工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)極高，有可能投入一生卻顆粒無(wú)收。”讓HI-13串列加速器升級(jí)工程總經(jīng)理兼總工程師張?zhí)炀粜牢康氖?，去年年底，工程通過(guò)了成果鑒定，形成了一器多用、多器合用、多領(lǐng)域、多學(xué)科的科學(xué)研究平臺(tái)。

“膽大妄為”的方案“魚(yú)”和“熊掌”要兼得

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者勞倫斯制造的世界第一臺(tái)回旋加速器直徑只有10厘米，但卻向世人打開(kāi)了了解微觀粒子奧秘的大門(mén)。

與其他加速器不同，在質(zhì)子回旋加速器這個(gè)“體育場(chǎng)”奔跑的“運(yùn)動(dòng)員”，是構(gòu)成原子核的微小粒子——質(zhì)子，它可以一邊沿著跑道繞圈，一邊在電場(chǎng)帶動(dòng)下不斷提速，最終產(chǎn)生的高速粒子，可能為科學(xué)家們帶來(lái)意想不到的驚喜。

從美國(guó)引進(jìn)的HI-13串列加速器于1987年正式運(yùn)行。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展形勢(shì)，經(jīng)過(guò)近10年等待，2011年4月，HI-13串列加速器升級(jí)工程開(kāi)工，目標(biāo)是填補(bǔ)我國(guó)中能強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器、高分辨同位素分離器和超導(dǎo)重離子直線加速器的空白。

100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器是整個(gè)工程最關(guān)鍵的大型主體設(shè)備，也是工程建設(shè)最大的技術(shù)難點(diǎn)之一。

由于經(jīng)費(fèi)緊張，無(wú)法支付國(guó)外公司的高額合作設(shè)計(jì)費(fèi)用，放棄國(guó)外舒適環(huán)境回國(guó)的張?zhí)炀籼羝鸺铀倨髯孕性O(shè)計(jì)、自行建造的任務(wù)。

張?zhí)炀糁两裼浀茫?00MeV質(zhì)子回旋加速器設(shè)計(jì)方案提出后，便被質(zhì)疑者形容為“膽大妄為”。

“這是一份高技術(shù)難度的設(shè)計(jì)方案，必須解決前人沒(méi)有很好解決的兩大矛盾——緊湊型和高流強(qiáng)間的矛盾、高功率和高穩(wěn)定度間的矛盾，可謂‘魚(yú)’和‘熊掌’要兼得。”張?zhí)炀艚忉尅?/p>

2001年開(kāi)始做方案設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)際上緊湊型回旋加速器最高能量為30MeV，要跨越到100MeV，當(dāng)時(shí)難度技術(shù)可想而知。

為實(shí)現(xiàn)“既緊湊型且高強(qiáng)流”的理念，方案突破以往國(guó)際上的設(shè)計(jì)思路，首次在能量高于70MeV的AVF(交變梯度聚焦)回旋加速器中采取直邊扇，降低了主磁鐵、高頻腔、徑向靶等主要設(shè)備的工程難度。

“對(duì)尖端科技研發(fā)來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有勇氣去大膽想象，就沒(méi)有成功的可能。”讓張?zhí)炀舾锌氖?，幾年后，加拿大、美?guó)、韓國(guó)、南非等國(guó)均設(shè)計(jì)、建造了中等能量的緊湊型強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器，間接證明了這一思路的可行性和前瞻性。

“天下第一大餅”帶來(lái)多重挑戰(zhàn)

在完成了物理設(shè)計(jì)和初步工藝方案后，借助20多位國(guó)際知名專家的智慧，100MeV回旋加速器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果得到國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可。

但物理設(shè)計(jì)成功只是第一步，關(guān)鍵要能建造出來(lái)。

100MeV回旋加速器的主磁鐵被評(píng)審專家稱為純鐵鑄造界和回旋加速器界的“天下第一大餅”。

這個(gè)“天下第一”給研發(fā)團(tuán)隊(duì)增加了多道難關(guān)，按照設(shè)計(jì)要求，主磁鐵不僅重達(dá)400多噸，關(guān)鍵加工、裝配精度要求達(dá)到0.05毫米。

2005—2006年兩年間，技術(shù)人員跑遍了全國(guó)各大重型機(jī)械廠，得到的答復(fù)全都是“太大、太難，做不了”。

“純鐵的均勻性、致密性要求太高了。”張?zhí)炀舾嬖V記者，在和合作伙伴洛陽(yáng)中信重型機(jī)械廠合作時(shí)，研發(fā)人員到現(xiàn)場(chǎng)深入?yún)⑴c、主導(dǎo)工程的工藝方案，利用當(dāng)時(shí)有限的工業(yè)條件五爐合澆超水平加工了特高技術(shù)要求的大型設(shè)備。“幾年下來(lái)，大家不再只是加速器物理學(xué)家，已是真正的工程師了。”

這樣的困難還有不少。

100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的大型磁極與真空蓋板間沒(méi)有真空抽氣通道，且磁氣隙小，測(cè)量困難，但加速器真空室、真空管道有幾百個(gè)孔、密封面，為達(dá)到要求的“幾乎不能有一絲空氣”的標(biāo)準(zhǔn)，這場(chǎng)“面對(duì)空氣”的戰(zhàn)爭(zhēng)持續(xù)了一年。

可用于醫(yī)療等領(lǐng)域

雖然聽(tīng)起來(lái)學(xué)術(shù)氣十足，但其實(shí)加速器離人們的生活并不遙遠(yuǎn)。其中一大應(yīng)用就是醫(yī)療領(lǐng)域。

張?zhí)炀粽f(shuō)，現(xiàn)在很多大中型醫(yī)院都會(huì)配備緊湊的醫(yī)用回旋加速器，一大用途就是生產(chǎn)診斷癌癥和心腦血管疾病的同位素藥物。加速器能力越強(qiáng)，就會(huì)產(chǎn)生越多的同位素品種。

100MeV強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器除了可生產(chǎn)常用的醫(yī)用放射性同位素，還可以生產(chǎn)鍶-82、碘-123這些非常重要的放射性核素。

張?zhí)炀舾嬖V記者，100MeV回旋加速器雖然個(gè)頭不大，但束流功率為國(guó)際同類裝置最高，且供束流強(qiáng)范圍也最大;在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大型質(zhì)子加速器束流雙向引出，可同時(shí)為兩個(gè)用戶供束，使用戶束流時(shí)間幾乎成倍增加。

按照設(shè)計(jì)，工程建成后每年可開(kāi)機(jī)3000小時(shí)以上，將用于空間電離輻射環(huán)境下單粒子效應(yīng)、空間質(zhì)子探測(cè)器標(biāo)定、放射性核束衰變與反應(yīng)研究、核數(shù)據(jù)測(cè)量等核物理基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。