我國能量最高質(zhì)子回旋加速器實現(xiàn)一器多用

直徑6.16米、重435噸，中核集團中國原子能科學(xué)研究院（以下簡稱原子能院）內(nèi)，外人眼里簡單的大“疙瘩”，卻是國際上最大的緊湊型強流質(zhì)子回旋加速器、我國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)原國防科工委批準(zhǔn)，大科學(xué)工程——HI-13串列加速器升級工程立項，通俗地說是給已有的HI-13串列加速器“穿靴戴帽”，即在前端新建一臺100MeV（兆電子伏）強流質(zhì)子回旋加速器，一臺質(zhì)量分辨率為20 000的在線同位素分離器;后端新建一臺重離子超導(dǎo)直線增能器，以實現(xiàn)更強功能。

“從事大科學(xué)工程建設(shè)風(fēng)險極高，有可能投入一生卻顆粒無收。”讓HI-13串列加速器升級工程總經(jīng)理兼總工程師張?zhí)炀粜牢康氖牵ツ昴甑祝こ掏ㄟ^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。

“膽大妄為”的方案“魚”和“熊掌”要兼得

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

與其他加速器不同，在質(zhì)子回旋加速器這個“體育場”奔跑的“運動員”，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，一邊在電場帶動下不斷提速，最終產(chǎn)生的高速粒子，可能為科學(xué)家們帶來意想不到的驚喜。

從美國引進的HI-13串列加速器于1987年正式運行。為適應(yīng)國內(nèi)外科技發(fā)展形勢，經(jīng)過近10年等待，2011年4月，HI-13串列加速器升級工程開工，目標(biāo)是填補我國中能強流質(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強流質(zhì)子回旋加速器是整個工程最關(guān)鍵的大型主體設(shè)備，也是工程建設(shè)最大的技術(shù)難點之一。

由于經(jīng)費緊張，無法支付國外公司的高額合作設(shè)計費用，放棄國外舒適環(huán)境回國的張?zhí)炀籼羝鸺铀倨髯孕性O(shè)計、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)計方案，必須解決前人沒有很好解決的兩大矛盾——緊湊型和高流強間的矛盾、高功率和高穩(wěn)定度間的矛盾，可謂‘魚和‘熊掌要兼得。”張?zhí)炀艚忉尅?/p>

2001年開始做方案設(shè)計時，國際上緊湊型回旋加速器最高能量為30MeV，要跨越到100MeV，當(dāng)時難度技術(shù)可想而知。

為實現(xiàn)“既緊湊型且高強流”的理念，方案突破以往國際上的設(shè)計思路，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。

“對尖端科技研發(fā)來說，如果沒有勇氣去大膽想象，就沒有成功的可能。”讓張?zhí)炀舾锌氖牵瑤啄旰螅幽么蟆⒚绹㈨n國、南非等國均設(shè)計、建造了中等能量的緊湊型強流質(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”帶來多重挑戰(zhàn)

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

但物理設(shè)計成功只是第一步，關(guān)鍵要能建造出來。

100MeV回旋加速器的主磁鐵被評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“天下第一”給研發(fā)團隊增加了多道難關(guān)，按照設(shè)計要求，主磁鐵不僅重達400多噸，關(guān)鍵加工、裝配精度要求達到0.05毫米。

2005—2006年兩年間，技術(shù)人員跑遍了全國各大重型機械廠，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，在和合作伙伴洛陽中信重型機械廠合作時，研發(fā)人員到現(xiàn)場深入?yún)⑴c、主導(dǎo)工程的工藝方案，利用當(dāng)時有限的工業(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，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強流質(zhì)子回旋加速器的大型磁極與真空蓋板間沒有真空抽氣通道，且磁氣隙小，測量困難，但加速器真空室、真空管道有幾百個孔、密封面，為達到要求的“幾乎不能有一絲空氣”的標(biāo)準(zhǔn)，這場“面對空氣”的戰(zhàn)爭持續(xù)了一年。

可用于醫(yī)療等領(lǐng)域

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

張?zhí)炀粽f，現(xiàn)在很多大中型醫(yī)院都會配備緊湊的醫(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，就會產(chǎn)生越多的同位素品種。

100MeV強流質(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回旋加速器雖然個頭不大，但束流功率為國際同類裝置最高，且供束流強范圍也最大;在國內(nèi)首次實現(xiàn)大型質(zhì)子加速器束流雙向引出，可同時為兩個用戶供束，使用戶束流時間幾乎成倍增加。

按照設(shè)計，工程建成后每年可開機3 000小時以上，將用于空間電離輻射環(huán)境下單粒子效應(yīng)、空間質(zhì)子探測器標(biāo)定、放射性核束衰變與反應(yīng)研究、核數(shù)據(jù)測量等核物理基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。

（來源：http：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/5/426699.shtm）