神龍二號，在世界巔峰騰飛　記世界首臺兆赫茲重復率猝發(fā)強流多脈沖直線感應加速器

□ 姜 洋 鄒文康

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神龍二號，在世界巔峰騰飛記世界首臺兆赫茲重復率猝發(fā)強流多脈沖直線感應加速器

□ 姜 洋 鄒文康

2015年1月22日，神龍二號裝置科技成果鑒定會現(xiàn)場，經(jīng)過包括14位院士在內(nèi)的鑒定委員會的鑒定：中國工程物理研究院流體物理研究所“成功研制了世界上首臺兆赫茲重復率猝發(fā)強流多脈沖直線感應加速器。”

“該項目系統(tǒng)復雜，研制難度很大，有重大創(chuàng)新，總體技術處于國際先進水平，部分重要指標國際領先。神龍二號研制成功是直線感應加速器和我國尖端國防科技閃光照相技術發(fā)展中的一個重要里程碑！”

世界驚嘆“中國龍”，創(chuàng)新助力強國夢。神龍二號的成功，受到國際國內(nèi)同行的高度評價：

神龍二號是世界第一臺兆赫茲重復率猝發(fā)多脈沖高功率感應加速器！

神龍二號從設計思想到技術突破完全是獨創(chuàng)的！

神龍二號多脈沖感應加速器技術的突破被國際同行專家評價為：“確實代表感應加速器領域重大新成 就”！

在內(nèi)爆流體動力學實驗過程中，僅僅百萬分之幾秒的時間內(nèi)發(fā)生快速和巨大的物理化學反應，在高壓沖擊波的作用下，實驗材料的形狀、密度等產(chǎn)生極為復雜且劇烈的變化。作為揭示內(nèi)爆過程的“火眼金睛”，直線感應加速器閃光X射線照相設施在認識武器內(nèi)爆物理規(guī)律和校驗武器設計過程中占據(jù)了極為關鍵的地位。它的工作原理類似于醫(yī)院的人體X光透視照相，利用加速器產(chǎn)生的高強度脈沖X光，穿透厚度相當于數(shù)十厘米鋼的致密材料，對其內(nèi)部以大于10馬赫超高速運動的材料內(nèi)亞毫米細節(jié)及其變化進行高精度的瞬態(tài)透視照相。

經(jīng)過中國工程物理研究院流體物理研究所直線感應加速器研制團隊三十多年的自主研制和創(chuàng)新式發(fā)展，我國直線感應加速器技術實現(xiàn)了從無到有、再到完全自主創(chuàng)新的跨越式發(fā)展，每十年一個臺階：

1983～1993年，研制成功我國第一臺用于國防裝備縮比裝置閃光照相的10MeV直線感應加速器，達到當時國際先進水平，獲得國家科技進步一等獎；

1994～2004年，研制成功我國第一臺國防裝備全尺寸裝置精密閃光X光照相實驗設施神龍一號，2004年4月，由包括13位院士在內(nèi)的同行專家組成的技術鑒定委員會一致認為神龍一號加速器達到國際先進水平，榮獲2005年度國家科技進步一等獎。

為了更精密可靠地校驗武器設計，要求在百萬分之一秒內(nèi)實現(xiàn)多幅照相。這一直是核大國努力追求的目標，但受限于多脈沖高功率加速器技術無法突破而一直未能實現(xiàn)。美國LANL（洛斯·阿拉莫斯）實驗室2009年建成的DARHT-II裝置實際上是一臺單脈沖加速器，其設計思想是先產(chǎn)生和加速長脈寬的單脈沖，在打靶前通過將90%的電子束偏轉掉，剩下四個約50納秒短脈沖分別打靶，實現(xiàn)多幅照相。其缺點是效費比低、造價高；同時，這幾束短脈沖的時間間隔完全受限于單脈沖的總脈寬，間隔幾乎不可調(diào)整。

本世紀初，國家設專項研制神龍二號，其目的是用以產(chǎn)生三個間隔數(shù)千萬分之一秒的X光脈沖，以實現(xiàn)多幅閃光照相，這就要求直線感應加速器以百萬赫茲重復率輸出多個強流束脈沖并聚焦到同一點打靶。這對直線感應加速器研究團隊提出了前所未有的挑戰(zhàn)，研制難度極大，堪稱高峰仰 止。

秉承“嚴謹求是，創(chuàng)新超越”的科研理念，直線感應加速器研制團隊迎難而上，向著這座世界巔峰奮勇前行。

在進行總體技術路線論證時，項目負責人鄧建軍獨創(chuàng)性地提出了基于單脈沖開關產(chǎn)生高功率多脈沖以及感應加速腔磁芯“多次勵磁、一次復位”的設計思想，產(chǎn)生三個脈沖間隔獨立可調(diào)的短脈沖分別聚焦打靶，在不同時刻產(chǎn)生高能量的X光進行同軸多幅閃光照相。該方案能夠圓滿解決同軸多幅和脈沖間隔可調(diào)的精密閃光照相難題，得到時任中物院副院長丁伯南院士的大力支持。

與美國DARHT-II裝置相比，神龍二號設計方案突出的優(yōu)越性在于：三個短脈沖是完全獨立產(chǎn)生的，脈沖間隔獨立可調(diào)，實驗中可以根據(jù)具體的裝備物理需求，獲得不同時刻的內(nèi)爆實驗物理圖像；同時，其束流利用效率高，幾乎達到100%，造價只是DARHT-II的約五分之一。

原創(chuàng)性的開展裝置研制，所面臨的必將是荊棘密布、險灘處處。曾有科研人員戲稱神龍二號的研究是從“一窮二白”中起步：“一窮”——技術儲備極為薄弱；“二白”——總體設計方案前所未有，關鍵技術難題前所未遇。然而，他們誓要“白手起家，無中生有”！

經(jīng)過十多年的刻苦攻關，以及院內(nèi)外兄弟單位的大力協(xié)同，他們開創(chuàng)性地解決了兆赫茲重復率猝發(fā)多脈沖高壓產(chǎn)生、多脈沖間加速腔磁芯復位等多項國際上極具挑戰(zhàn)性的重大難題，掌握了全部的自主知識產(chǎn)權，成功研制出世界第一臺兆赫茲重復率猝發(fā)多脈沖高功率感應加速器——神龍二號。

神龍二號實現(xiàn)了電子束能量約20兆電子伏、流強2千安，X光焦斑直徑小于2.0毫米的三脈沖輸出。裝置所產(chǎn)生X光能夠輕易穿透厚度相當于數(shù)十厘米鋼的致密材料；X光脈沖極短，即曝光時間約億分之一秒，能夠有效減小運動模糊； X光焦斑尺寸足夠小，對于被拍物體內(nèi)以每秒幾公里到十幾公里高速運動的內(nèi)爆過程，所得的X光圖像界面可以達到亞毫米的精度。

更重要的是，神龍二號能夠在百萬分之一秒內(nèi)實現(xiàn)多幅照相！通過對國防裝備高速內(nèi)爆過程進行“超高速連拍”，能夠更進一步精密可靠地研究裝備內(nèi)爆規(guī)律、校驗裝備設計。

神龍二號與已經(jīng)建成的神龍一號加速器相互垂直布置，可以進行準三維的閃光X光照相，即在一次閃光照相實驗中可獲得兩個角度四個時刻的圖像，大大提高了實驗效率和置信度，而且其觀測時間范圍大，為開展相關武器內(nèi)部長時間尺度的流體動力學狀態(tài)研究提供了極大便利。

目前，世界上僅有中國和美國具備了同軸多幅和雙軸精密閃光照相能 力。

神龍二號從設計思想到技術突破，完全是獨創(chuàng)的。它的研制成功，是直線感應加速器和我國閃光照相技術發(fā)展中的一個重要里程碑。神龍二號使我國成為了世界上第一個掌握并研制成功兆赫茲重復率猝發(fā)多脈沖高功率加速器的國家！標志著我國尖端國防科技閃光照相能力實現(xiàn)了質(zhì)的跨越，首次具備了雙軸多幅精密閃光照相能力，對我國新型裝備研制、提高裝備綜合性能具有重大意義！

（作者單位為中國工程物理研究院）