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“穿靴戴帽”, 我国能量最高质子回旋加速器实现一器多用

来源:科技日报2019-05-24 09:23

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  走近大科学工程

  记者 陈 瑜

  直径6.16米、重435吨,中核集团中国原子能科学研究院(以下简称原子能院)内,外人眼里简单的大“疙瘩”,却是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器、我国目前自主研制的能量最高的质子回旋加速器。

  2003年7月,经原国防科工委批准,大科学工程——HI-13串列加速器升级工程立项,通俗地说是给已有的HI-13串列加速器“穿靴戴帽”,即在前端新建一台100MeV(兆电子伏)强流质子回旋加速器,一台质量分辨率为20000的在线同位素分离器;后端新建一台重离子超导直线增能器,以实现更强功能。

  “从事大科学工程建设风险极高,有可能投入一生却颗粒无收。”让HI-13串列加速器升级工程总经理兼总工程师张天爵欣慰的是,去年年底,工程通过了成果鉴定,形成了一器多用、多器合用、多领域、多学科的科学研究平台。

  “胆大妄为”的方案“鱼”和“熊掌”要兼得

  诺贝尔物理学奖获得者劳伦斯制造的世界第一台回旋加速器直径只有10厘米,但却向世人打开了了解微观粒子奥秘的大门。

  与其他加速器不同,在质子回旋加速器这个“体育场”奔跑的“运动员”,是构成原子核的微小粒子——质子,它可以一边沿着跑道绕圈,一边在电场带动下不断提速,最终产生的高速粒子,可能为科学家们带来意想不到的惊喜。

  从美国引进的HI-13串列加速器于1987年正式运行。为适应国内外科技发展形势,经过近10年等待,2011年4月,HI-13串列加速器升级工程开工,目标是填补我国中能强流质子回旋加速器、高分辨同位素分离器和超导重离子直线加速器的空白。

  100MeV强流质子回旋加速器是整个工程最关键的大型主体设备,也是工程建设最大的技术难点之一。

  由于经费紧张,无法支付国外公司的高额合作设计费用,放弃国外舒适环境回国的张天爵挑起加速器自行设计、自行建造的任务。

  张天爵至今记得,100MeV质子回旋加速器设计方案提出后,便被质疑者形容为“胆大妄为”。

  “这是一份高技术难度的设计方案,必须解决前人没有很好解决的两大矛盾——紧凑型和高流强间的矛盾、高功率和高稳定度间的矛盾,可谓‘鱼’和‘熊掌’要兼得。”张天爵解释。

  2001年开始做方案设计时,国际上紧凑型回旋加速器最高能量为30MeV,要跨越到100MeV,当时难度技术可想而知。

  为实现“既紧凑型且高强流”的理念,方案突破以往国际上的设计思路,首次在能量高于70MeV的AVF(交变梯度聚焦)回旋加速器中采取直边扇,降低了主磁铁、高频腔、径向靶等主要设备的工程难度。

  “对尖端科技研发来说,如果没有勇气去大胆想象,就没有成功的可能。”让张天爵感慨的是,几年后,加拿大、美国、韩国、南非等国均设计、建造了中等能量的紧凑型强流质子回旋加速器,间接证明了这一思路的可行性和前瞻性。

  “天下第一大饼”带来多重挑战

  在完成了物理设计和初步工艺方案后,借助20多位国际知名专家的智慧,100MeV回旋加速器的创新设计及其试验验证结果得到国际同行的广泛认可。

  但物理设计成功只是第一步,关键要能建造出来。

  100MeV回旋加速器的主磁铁被评审专家称为纯铁铸造界和回旋加速器界的“天下第一大饼”。

  这个“天下第一”给研发团队增加了多道难关,按照设计要求,主磁铁不仅重达400多吨,关键加工、装配精度要求达到0.05毫米。

  2005—2006年两年间,技术人员跑遍了全国各大重型机械厂,得到的答复全都是“太大、太难,做不了”。

  “纯铁的均匀性、致密性要求太高了。”张天爵告诉记者,在和合作伙伴洛阳中信重型机械厂合作时,研发人员到现场深入参与、主导工程的工艺方案,利用当时有限的工业条件五炉合浇超水平加工了特高技术要求的大型设备。“几年下来,大家不再只是加速器物理学家,已是真正的工程师了。”

  这样的困难还有不少。

  100MeV强流质子回旋加速器的大型磁极与真空盖板间没有真空抽气通道,且磁气隙小,测量困难,但加速器真空室、真空管道有几百个孔、密封面,为达到要求的“几乎不能有一丝空气”的标准,这场“面对空气”的战争持续了一年。

  可用于医疗等领域

  虽然听起来学术气十足,但其实加速器离人们的生活并不遥远。其中一大应用就是医疗领域。

  张天爵说,现在很多大中型医院都会配备紧凑的医用回旋加速器,一大用途就是生产诊断癌症和心脑血管疾病的同位素药物。加速器能力越强,就会产生越多的同位素品种。

  100MeV强流质子回旋加速器除了可生产常用的医用放射性同位素,还可以生产锶-82、碘-123这些非常重要的放射性核素。

  张天爵告诉记者,100MeV回旋加速器虽然个头不大,但束流功率为国际同类装置最高,且供束流强范围也最大;在国内首次实现大型质子加速器束流双向引出,可同时为两个用户供束,使用户束流时间几乎成倍增加。

  按照设计,工程建成后每年可开机3000小时以上,将用于空间电离辐射环境下单粒子效应、空间质子探测器标定、放射性核束衰变与反应研究、核数据测量等核物理基础和应用研究。

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