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2015年春，中國科學(xué)院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）4個研究中心的科研骨干齊聚一堂。項目總負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院院士趙紅衛(wèi)的話，如同一顆投入平靜湖面的石子，激起層層漣漪：“國際重離子領(lǐng)域急需一臺低能量強流重離子加速器裝置，這一項目存在多項重大物理與技術(shù)挑戰(zhàn)，但我們要盡快建一臺。”

超導(dǎo)離子源研制負(fù)責(zé)人、近代物理所低能粒子束技術(shù)中心主任孫良亭介紹，面對“低能區(qū)重大需求”與技術(shù)封鎖的雙重挑戰(zhàn)，這個當(dāng)時平均年齡僅31歲的團(tuán)隊，決定自主研發(fā)多功能、小型化低能量重離子裝置，并取名“LEAF”，即低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置。近日，該團(tuán)隊榮獲中國科學(xué)院第六屆科苑名匠稱號。

啟航：挑戰(zhàn)技術(shù)難題

LEAF啟動之初，便遭遇了攔路虎。

超導(dǎo)高電荷態(tài)ECR離子源是LEAF的核心部件，鈮三錫材料又是超導(dǎo)離子源技術(shù)的“心臟”。然而，當(dāng)時國內(nèi)在鈮三錫導(dǎo)線繞制普通線圈方面，加工精度尚無法滿足要求，更別說將其應(yīng)用于復(fù)雜的超導(dǎo)離子源磁體制造。團(tuán)隊成員深知，唯有自主鉆研，才能打破困境。

為了加工出合格的線圈，團(tuán)隊成員要將頭發(fā)絲般粗細(xì)、薯片般酥脆的鈮三錫超導(dǎo)線，按設(shè)計圖密密匝匝纏繞700多圈，且誤差精度控制在50微米以內(nèi)。起初，因技術(shù)經(jīng)驗匱乏，纏繞的線圈如同雜亂無章的麻線團(tuán)，但經(jīng)他們反復(fù)試錯和優(yōu)化改進(jìn)，最終完成了高精度鈮三錫線圈的加工。

線圈繞好后，新的難題又來了——如何檢測線圈的技術(shù)性能？面對這一技術(shù)空白，團(tuán)隊成員發(fā)揚“小馬過河”精神，大膽推演、勇于嘗試。他們通過無數(shù)次仿真試驗，成功攻克了檢測難題，在首次測試中就驗證了自主研制的鈮三錫超導(dǎo)線圈性能。

然而，超導(dǎo)磁鐵裝配過程又出現(xiàn)新挑戰(zhàn)——如何控制其在強大電磁力作用下的應(yīng)力分布，確保磁體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性？“我們嘗試多種方法，效果都不理想。直到發(fā)現(xiàn)金屬壓力囊和鍵條技術(shù)的優(yōu)勢。”近代物理所高級工程師吳北民回憶說，“這項技術(shù)如同為超導(dǎo)磁體量身定制的‘緊身衣’，既能保證超導(dǎo)磁體在強大電磁力作用下的穩(wěn)定性，又能靈活調(diào)整應(yīng)力分布，滿足不同實驗工況的要求。”

在研制過程中，團(tuán)隊持續(xù)探索新的方法和工藝，對每個細(xì)節(jié)反復(fù)驗證與優(yōu)化。他們最終成功將金屬囊的耐壓能力從最初的兩三兆帕提升至50兆帕，搭建起高場超導(dǎo)磁體裝配平臺，并且采用先進(jìn)的應(yīng)力分析方法和應(yīng)變檢測技術(shù)，實現(xiàn)了超導(dǎo)磁體樣機及整機的成功研制。

加速：打造離子“高速公路”

離子從“發(fā)生器”中產(chǎn)生后，需進(jìn)入“高速公路”加速。團(tuán)隊研制的連續(xù)波重離子RFQ加速器，如同在微觀世界里打造了一條超級高速公路，能讓20萬億個離子同時起飛，奔向?qū)嶒灠卸恕?/p>

然而，建設(shè)這條“高速公路”并非易事。過去，大多數(shù)同類加速器加速的重離子束只是“涓涓細(xì)流”，而團(tuán)隊的目標(biāo)是讓重離子束形成“奔涌大河”。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?nèi)缤煌ㄒ?guī)劃師，重新設(shè)計離子運動的“路線圖”，讓電磁場更精準(zhǔn)地“引導(dǎo)”離子；同時對加速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，讓離子束在高速運動時更“穩(wěn)”，不易散開。

張周禮在2004年以碩博連讀方式入所。初入此道，他心中滿是疑惑：“為何一定要執(zhí)著于RFQ加速器研究？”“你有所不知，RFQ加速器雖體積不大，能量也不算高，但其功能之強大、結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，是其他加速器難以比擬的。它是最具挑戰(zhàn)性、最能激發(fā)科研熱情，也最能帶來成就感的科研項目。”導(dǎo)師的話讓張周禮豁然開朗，堅定了他研制RFQ加速器的決心。

在研發(fā)過程中，最大挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)高電荷態(tài)、高流強的束流加速。當(dāng)時，國內(nèi)外的研究大多集中在低流強領(lǐng)域，而張周禮立志攻克20毫安的高流強難題。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，團(tuán)隊采用全新的動力學(xué)設(shè)計方案——均溫法，最終戰(zhàn)勝高流強帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。

“這一技術(shù)突破的意義在于，未來這類加速器能更高效地為重離子科學(xué)研究服務(wù)，為先進(jìn)材料、核能技術(shù)、先進(jìn)放療等領(lǐng)域提供持續(xù)穩(wěn)定的離子束。”孫良亭表示，就像從“間歇供水”升級到“全天候高壓供水”，效率和實用性都大大提升。

升級：調(diào)配“雞尾酒束”

在重離子應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是核能材料研究中，能夠讓不同重離子束像訓(xùn)練有素的車隊一樣精準(zhǔn)配合至關(guān)重要。為此，團(tuán)隊給加速器安裝了一套“速度調(diào)節(jié)器”，就像給高速公路設(shè)計了智能調(diào)度系統(tǒng)。

以往，一條車道只能跑一種車——單一離子束。如今，通過這套系統(tǒng)，不僅能讓3種離子束在一條車道上跑，還能通過調(diào)節(jié)速度，讓這些“離子車”齊刷刷到達(dá)終點。這種多離子混合束被形象地稱為“雞尾酒束”，能夠滿足更復(fù)雜實驗的需求。

離子源室副主任楊堯回憶，科研過程中，DTL調(diào)能系統(tǒng)的研制尤為艱難。但最終他們研制出的DTL調(diào)能系統(tǒng)在低能強流高電荷態(tài)等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上均達(dá)到國際領(lǐng)先水平，特別是在束流強度方面，遠(yuǎn)超國際同類裝置。

孫良亭介紹：“我們的束流強度指標(biāo)現(xiàn)在是國際之最。以氧離子束為例，國際指標(biāo)大概在0.6毫安左右，而我們達(dá)到了1.1毫安。同時，我們還將束流能散度水平提高了一個量級，為核物理學(xué)家提供了更精確、穩(wěn)定的實驗條件。”

目前，LEAF裝置已通過國家驗收，為國內(nèi)外60多個實驗提供了豐富的束流，供束1.3萬小時以上，取得了一批重要的研究成果。

但團(tuán)隊并未停下前進(jìn)的腳步。孫良亭表示：“一方面，我們將進(jìn)一步優(yōu)化裝置性能，提高束流強度和穩(wěn)定性；另一方面，我們將積極探索該裝置在更多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如新材料研發(fā)、放射性同位素生產(chǎn)等。”

（原載于《中國科學(xué)報》?2025-07-02?第4版?綜合）