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      2. 質子,在這里加速——解碼世界首臺質子位移損傷效應模擬試驗裝置

        2024-01-04 07:33:26 來源: 科技日報 作者: 王迎霞 頡滿斌

        科技日報記者 王迎霞 頡滿斌

        隆冬,塞外。風刀霜劍擋不住探究的熱情。

        從甘肅蘭州一路向西,跨越2000公里,科技日報記者來到中國科學院新疆理化技術研究所(以下簡稱“新疆理化所”)。這里,有世界首臺質子位移損傷效應模擬試驗裝置(PREF)——60MeV(兆電子伏)質子加速器。

        肉眼不及之處,上億個帶電質子正在以零點幾倍光速飛奔。它們集結起來,浩浩蕩蕩,形成束流。

        小小質子,能做什么?

        “長久以來,我國缺乏能夠全面評估器件在軌輻射損傷風險的重器,這給航天器和載荷帶來嚴重隱患?!敝袊茖W院近代物理研究所(以下簡稱“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、試驗評估方法研究提供重要支撐。

        作為科技創新的國家隊,2018年11月,中國科學院挑起重擔:由新疆理化所牽頭,位于甘肅蘭州的近代物理所擔綱設計,聯合建設PREF,用于開展地面模擬試驗。

        一條“圍巾”

        位于烏魯木齊新市區科學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“調試成功”的字樣,讓它顯得與眾不同。

        記者跟隨阮爽走進這座小樓,乘電梯而下,來到加速器大廳,PREF的硬件設備就在眼前。

        “鳥瞰”這個詞,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。但當記者走進它的“心腹”,看到各式儀器組成的方陣時,還是被深深震撼了。

        整個加速器由質子源、直線注入器、同步加速器和兩個終端構成。從示意圖看,它像一條打了結的圍巾——同步加速器是“圍脖”,質子源和終端是隨風飄起的兩端。

        從防護門進入,放眼望去,視線最先會被藍色、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。

        “藍色二極磁鐵是讓質子轉彎的,黃色四極磁鐵是約束質子在管道里運動的,那個銀色的磁合金高頻腔是讓質子加速的?!比钏嬖V記者。

        這些大塊頭順接起來,形成一個環狀,即同步加速器。目測不大,周長確實也只有18米,為國內最小。

        “小型化是PREF的突出優點?!奔铀倨骺傮w室副主任申國棟自豪地說,“因為小,它消耗的功率就小,更方便推廣應用?!?/p>

        阮爽指著藍色方塊比劃道:“你仔細看,下面有線圈。給它通上強電流,就能讓束流沿著同步加速器轉圈?!?/p>

        束流每轉一圈,經過高頻磁合金加載腔一次,速度就增加一點。上百萬圈后,最大可達約0.35倍光速,慢引出到終端開展質子輻照實驗。

        在這條“圍巾”上,還點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的低能質子注入時,必須給它提供一個高真空環境?!鄙陣鴹澱f,“否則束流很快全沒了?!?/p>

        兩項絕活

        “電源和真空技術是PREF的兩項絕活?!比钏瑤в浾哌吙催吔榻B。

        快速的磁場變化速率必須依靠快循環電源,但傳統電源在快循環狀態下工作,會對電網造成嚴重沖擊。為解決這一問題,近代物理所提出了全儲能非諧振大功率電源新技術。這項技術能把磁鐵負載中的能量回收到電源,方便下一次脈沖使用,既降本增效,又節能減排。

        快循環真空室是PREF的另一個挑戰。

        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焊上一圈加強筋,效果很好,但要用一種特制鋼材,國內沒有生產廠家。而后者,又沒有一體成型大尺寸陶瓷真空室制作技術,用現有技術會發生漏氣?!鄙陣鴹澱f。

        怎么破題?

        2019年初,近代物理所加速器中心主任、強流重離子加速器裝置(HIAF)總工程師楊建成帶領團隊吃起了“螃蟹”。

        技術攻關討論會上,團隊成員“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,應該特別結實。

        團隊用了3年時間,創新性提出陶瓷內襯真空室方案。經過3次技術迭代升級,他們最終制作出鈦合金內襯極高真空室。

        這個方案得到了歐洲核子研究中心資深技術專家弗里茨·卡斯珀斯的贊賞。他建議以“China Dragon”(中國龍)為真空室命名。

        當記者提出“很想目睹它的真容”時,阮爽笑起來:“真空室在磁鐵里嵌著,而鈦合金內襯骨架在真空室里,看不到?!?/p>

        三個愿望

        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、束診與真空等遠程操控設備,以及水冷通風、控制網絡、輻射防護等實時監測系統,運行井然有序。

        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,已經在這里工作了大半年。

        “只有練好‘基本功’、打好‘配合戰’,才能把事情做漂亮。我經常想起楊主任的這番話?!币惼颊f。

        在蘭州坐鎮指揮的楊建成對此并不否認:“我要求高,說話又直,對他們非??量?。他們都已經習慣了?!?/p>

        苛刻,源于刻骨的教訓?!拔覀兊谝淮卧诟拭C武威調試裝置,犯了很多低級錯誤?!逼渲杏袀€錯,楊建成足足用了半年時間才找出來。

        從那以后,為保證設備上線順利,每個測試環節都要反復多次。在楊建成的嚴格要求下,加速器團隊膽大心細,善打硬仗。

        2023年3月,工藝設備進場安裝;8月9日測試完成,準備調試出束。憑借以往經驗,楊建成和團隊做好了“大干3個月”的準備。

        孰料,當天就傳來好消息:PREF建成出束,不僅成功實現質子的高效均勻引出,更能滿足器件照射需求,可以為我國空間輻射效應研究提供先進的實驗平臺。

        接到報喜電話時,楊建成從蘭州搭乘的前往烏魯木齊的飛機剛剛著陸?!霸緶蕚湓俳o團隊助把力,沒想到他們給我一個這么大的驚喜!”

        那一刻,常年繃著一根弦的楊建成終于得到片刻放松。他跟團隊成員開起玩笑:“那我現在是不是就可以回去了?”掛斷電話,楊建成鼻頭一酸:“項目是給航天用的,這些年從來沒有松懈過?!?/p>

        奮斗不息,創新不止。接下來,楊建成計劃結合人工智能等技術,對PREF進行深入的規劃。

        他有三個愿望:讓非專業人員也能操作PREF;把它做成標準化模塊,用戶可直接購買;結合新原理、新技術、新材料,讓它繼續變小,加速推廣應用步伐。

        “相信再有10年,我們質子加速器的研究水平一定能站在國際前沿,造福全人類!”展望未來,楊建成的話語擲地有聲。

        責任編輯: 冷媚
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