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“穿靴戴帽”﹐ 我國能量最高質子迴旋加速器實現一器多用

來源﹕科技日報2019-05-24 09:23

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  走近大科學工程

  記者 陳 瑜

  直徑6.16米﹑重435噸﹐中核集團中國原子能科學研究院(以下簡稱原子能院)內﹐外人眼裡簡單的大“疙瘩”﹐卻是國際上最大的緊湊型強流質子迴旋加速器﹑我國目前自主研製的能量最高的質子迴旋加速器。

  2003年7月﹐經原國防科工委批准﹐大科學工程──HI-13串列加速器昇級工程立項﹐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)強流質子迴旋加速器﹐一臺質量分辨率為20000的在線同位素分離器﹔後端新建一臺重離子超導直線增能器﹐以實現更強功能。

  “從事大科學工程建設風險極高﹐有可能投入一生卻顆粒無收。”讓HI-13串列加速器昇級工程總經理兼總工程師張天爵欣慰的是﹐去年年底﹐工程通過了成果鑒定﹐形成了一器多用﹑多器合用﹑多領域﹑多學科的科學研究平臺。

  “膽大妄為”的方案“魚”和“熊掌”要兼得

  諾貝爾物理學獎獲得者勞倫斯製造的世界第一臺迴旋加速器直徑祗有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﹐在質子迴旋加速器這個“體育場”奔跑的“運動員”﹐是構成原子核的微小粒子──質子﹐它可以一邊沿著跑道繞圈﹐一邊在電場帶動下不斷提速﹐最終產生的高速粒子﹐可能為科學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。為適應國內外科技發展形勢﹐經過近10年等待﹐2011年4月﹐HI-13串列加速器昇級工程開工﹐目標是填補我國中能強流質子迴旋加速器﹑高分辨同位素分離器和超導重離子直線加速器的空白。

  100MeV強流質子迴旋加速器是整個工程最關鍵的大型主體設備﹐也是工程建設最大的技術難點之一。

  由於經費緊張﹐無法支付國外公司的高額合作設計費用﹐放棄國外舒適環境回國的張天爵挑起加速器自行設計﹑自行建造的任務。

  張天爵至今記得﹐100MeV質子迴旋加速器設計方案提出後﹐便被質疑者形容為“膽大妄為”。

  “這是一份高技術難度的設計方案﹐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﹑高功率和高穩定度間的矛盾﹐可謂‘魚’和‘熊掌’要兼得。”張天爵解釋。

  2001年開始做方案設計時﹐國際上緊湊型迴旋加速器最高能量為30MeV﹐要跨越到100MeV﹐當時難度技術可想而知。

  為實現“既緊湊型且高強流”的理念﹐方案突破以往國際上的設計思路﹐首次在能量高於70MeV的AVF(交變梯度聚焦)迴旋加速器中採取直邊扇﹐降低了主磁鐵﹑高頻腔﹑徑向靶等主要設備的工程難度。

  “對尖端科技研發來說﹐如果沒有勇氣去大膽想象﹐就沒有成功的可能。”讓張天爵感慨的是﹐幾年後﹐加拿大﹑美國﹑韓國﹑南非等國均設計﹑建造了中等能量的緊湊型強流質子迴旋加速器﹐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

  在完成了物理設計和初步工藝方案後﹐藉助20多位國際知名專家的智慧﹐100MeV迴旋加速器的創新設計及其試驗驗證結果得到國際同行的廣泛認可。

  但物理設計成功祗是第一步﹐關鍵要能建造出來。

  100MeV迴旋加速器的主磁鐵被評審專家稱為純鐵鑄造界和迴旋加速器界的“天下第一大餅”。

  這個“天下第一”給研發團隊增加了多道難關﹐按照設計要求﹐主磁鐵不僅重達400多噸﹐關鍵加工﹑裝配精度要求達到0.05毫米。

  2005─2006年兩年間﹐技術人員跑遍了全國各大重型機械廠﹐得到的答復全都是“太大﹑太難﹐做不了”。

  “純鐵的均勻性﹑緻密性要求太高了。”張天爵告訴記者﹐在和合作夥伴洛陽中信重型機械廠合作時﹐研發人員到現場深入參與﹑主導工程的工藝方案﹐利用當時有限的工業條件五爐合澆超水平加工了特高技術要求的大型設備。“幾年下來﹐大家不再祗是加速器物理學家﹐已是真正的工程師了。”

  這樣的困難還有不少。

  100MeV強流質子迴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”的標準﹐這場“面對空氣”的戰爭持續了一年。

  可用於醫療等領域

  雖然聽起來學術氣十足﹐但其實加速器離人們的生活並不遙遠。其中一大應用就是醫療領域。

  張天爵說﹐現在很多大中型醫院都會配備緊湊的醫用迴旋加速器﹐一大用途就是生產診斷癌症和心腦血管疾病的同位素藥物。加速器能力越強﹐就會產生越多的同位素品種。

  100MeV強流質子迴旋加速器除了可生產常用的醫用放射性同位素﹐還可以生產鍶-82﹑碘-123這些非常重要的放射性核素。

  張天爵告訴記者﹐100MeV迴旋加速器雖然個頭不大﹐但束流功率為國際同類裝置最高﹐且供束流強範圍也最大﹔在國內首次實現大型質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。

  按照設計﹐工程建成後每年可開機3000小時以上﹐將用於空間電離輻射環境下單粒子效應﹑空間質子探測器標定﹑放射性核束衰變與反應研究﹑核數據測量等核物理基礎和應用研究。

[ 責編﹕肖春芳 ]
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