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大年三十，就在家家戶戶都忙著拍全家福時(shí)，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所(簡(jiǎn)稱近物所)超導(dǎo)直線加速器團(tuán)隊(duì)成員也排排站好，面向鏡頭比劃出象征著勝利的大拇指。

他們身后的紅色電子屏上寫著：“2021年2月11日5：16，ADS超導(dǎo)直線加速器樣機(jī)(CAFE)成功加速10.3mA連續(xù)波質(zhì)子束，超過設(shè)計(jì)指標(biāo)!”

為了這一刻，他們拼了十年。

從0到5再到10

合影的人員，很多都參加了十年前中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)實(shí)施的一項(xiàng)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類)——"未來先進(jìn)核裂變能-ADS嬗變系統(tǒng)”(ADS先導(dǎo)專項(xiàng))。

ADS(Accelerator Driven Sub-critical System)又名“加速器驅(qū)動(dòng)次臨界潔凈核能系統(tǒng)”，顧名思義，在這個(gè)系統(tǒng)里，超導(dǎo)直線加速器扮演著“開關(guān)”的角色。

自從接到研發(fā)強(qiáng)流高功率質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器這一重大任務(wù)開始，這支科研團(tuán)隊(duì)埋頭攻關(guān)，自主創(chuàng)新，2017年ADS專項(xiàng)驗(yàn)收之時(shí)，他們不僅在國(guó)內(nèi)首次研制出了超導(dǎo)直線加速器，還讓加速器成功打出了連續(xù)波流強(qiáng)為0.15毫安的質(zhì)子束。

然而，0.15毫安并不能讓近物所的科研人員滿足。“強(qiáng)流高功率質(zhì)子束是核科學(xué)和核技術(shù)的前沿，也是各發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)先搶占的戰(zhàn)略高地。強(qiáng)流超導(dǎo)直線加速器未來的應(yīng)用場(chǎng)景是多方面的，是核廢料嬗變處理、醫(yī)用放射性同位素量產(chǎn)、高通量中子源等國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的核心技術(shù)。”ADS先導(dǎo)專項(xiàng)首席科學(xué)家、中科院近物所所長(zhǎng)徐瑚珊告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，滿足這些國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的前提，是讓加速器穩(wěn)定地打出足夠多的質(zhì)子，實(shí)現(xiàn)更高流強(qiáng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

于是，近物所自籌經(jīng)費(fèi)，依托ADS專項(xiàng)的原型樣機(jī)，繼續(xù)研究下去。

此后，近物所ADS團(tuán)隊(duì)的科研人員一次次挑戰(zhàn)極限，把加速器的加速束流功率和連續(xù)運(yùn)行供束時(shí)間一點(diǎn)點(diǎn)提高。2019年1月，他們實(shí)現(xiàn)了2毫安流強(qiáng)、30千瓦功率的連續(xù)波質(zhì)子束，并實(shí)現(xiàn)了大于100小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。他們又用了兩年時(shí)間對(duì)加速器進(jìn)行重大改進(jìn)，今年1月25日，連續(xù)波質(zhì)子束的最大束流強(qiáng)度達(dá)到5.6毫安，最大束流功率達(dá)到110.9千瓦，這又一次刷新了世界紀(jì)錄。

“達(dá)到5毫安以后，我們對(duì)加速器各方面的狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為具備再將流強(qiáng)提升到10毫安的可行性。”超導(dǎo)直線加速器項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中科院近物所研究員何源告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

于是，這支團(tuán)隊(duì)立刻進(jìn)入新一輪緊張的工作中。束流開始調(diào)試之后，就不能停，終于，在大年三十(2月11日)的清晨，質(zhì)子束流強(qiáng)提升到了10毫安，正月初一(2月12日)凌晨2時(shí)20分，實(shí)現(xiàn)了束流的穩(wěn)定運(yùn)行。這些，在國(guó)際上都屬首次。

提高流強(qiáng)為什么難

之所以要合影，是因?yàn)檫@一刻來得不容易。

談到這項(xiàng)成果的背景時(shí)，何源說：“實(shí)現(xiàn)10毫安連續(xù)波、強(qiáng)流、高功率質(zhì)子束穩(wěn)定加速，是國(guó)際上近20多年來長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，無論物理上還是技術(shù)上，都存在前所未有的巨大挑戰(zhàn)。就連通過全超導(dǎo)直線加速器加速5毫安以上連續(xù)波質(zhì)子束的情況，都從未在國(guó)際上被驗(yàn)證或?qū)崿F(xiàn)過。”

那么，科學(xué)家們究竟是被什么難住了呢?這要從加速器的加速原理說起。

加速器要加速粒子，需要讓粒子集成一束，穿過一個(gè)個(gè)加速腔。每個(gè)加速腔就像一個(gè)個(gè)足球運(yùn)動(dòng)員，依次在傳球時(shí)狠狠踢上一腳，讓球以更快的速度傳給下一個(gè)球員。而困住全球科學(xué)家的難題就出在傳球的過程中。

提高流強(qiáng)，意味著加速器每秒要把更多帶著正電荷、相互排斥的質(zhì)子捆成一束，并讓束流實(shí)現(xiàn)加速。10毫安，則意味著束流中，每秒大約有6億億個(gè)質(zhì)子。

束流里的質(zhì)子多了，想控制住它的難度也相應(yīng)增加。“在約束質(zhì)子的時(shí)候，某些粒子會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的行為，比方說，有的質(zhì)子會(huì)從隊(duì)伍里跑出去，撞到加速腔壁管上，而每一個(gè)損失掉的質(zhì)子都帶著很高的能量，損失得多了，就會(huì)對(duì)加速器造成傷害，甚至可能把加速器壁管燒出個(gè)洞。”何源說。

束流里的質(zhì)子多了，也意味著“球”更重了。“以前踢的是皮球，現(xiàn)在踢的是鉛球。鉛球過來之后，運(yùn)動(dòng)員要用更大的力量去踢球，萬一踢不著球，腿可能就會(huì)閃著，甚至?xí)哿恕?rdquo;何源打比方說。在束流還沒有到達(dá)的時(shí)候，加速腔只有幾瓦的電量損耗，而當(dāng)束流到達(dá)時(shí)，加速腔送出的能量會(huì)在瞬間提高到幾千瓦。要讓加速器成功運(yùn)行，就要讓接力更加精準(zhǔn)，加速腔之間的時(shí)間誤差不能超過百萬分之一秒。

從0.15毫安到5毫安再到10毫安，近物所ADS團(tuán)隊(duì)并非一帆風(fēng)順。“我們?cè)?jīng)無數(shù)次遇到在當(dāng)時(shí)看來無法克服的困難，也經(jīng)歷無數(shù)次的失敗。比如我們也多次把加速器打出洞，但經(jīng)驗(yàn)就是在一次次的失敗中積累起來的。”何源說，“在我們的團(tuán)隊(duì)，大家群策群力想辦法，各抒己見，年輕人提出的想法和建議，我都會(huì)給予驗(yàn)證的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)大家去思考，去創(chuàng)新，去實(shí)踐。”

在過去的十年里，何源還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)核心技術(shù)——讓加速器在發(fā)生束流丟失或硬件故障時(shí)，能夠在沒人干預(yù)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)“可靠切斷”并以最快速度“自主恢復(fù)”束流。而這個(gè)核心科技，也為他們的成功打下了基礎(chǔ)。

無人區(qū)里的行者

拍合影時(shí)，何源作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，被大家推坐在了前排正中間。剛接到ADS超導(dǎo)直線加速器任務(wù)的那年，他37歲。十年后的今天，中國(guó)超導(dǎo)直線加速器在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)子束10毫安穩(wěn)定運(yùn)行，而他的一頭黑發(fā)也染成了白霜。

這一次取得突破，何源很開心。他告訴記者，他們首次驗(yàn)證了全超導(dǎo)直線加速器可以穩(wěn)定加速5至10毫安連續(xù)波質(zhì)子束，這是國(guó)際加速器領(lǐng)域長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，為國(guó)際上同類強(qiáng)流高功率加速器裝置建設(shè)及其一系列重大應(yīng)用提供了成功先例。

“接下來，我們還要精益求精推動(dòng)下一步研究，保持束流的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化、商業(yè)化、智能化研發(fā)，例如將其用于醫(yī)用同位素靶向治療藥物的生產(chǎn);為目前正在建設(shè)的強(qiáng)流重離子加速器(HIAF)和加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置(CiADS)提供技術(shù)支撐;研制ADS商用裝置等。”何源說。

在接受記者采訪時(shí)，何源興奮的聲音中也透出了疲憊的沙啞。從5毫安到10毫安，他們用了20天左右的時(shí)間，這些日子里，團(tuán)隊(duì)的核心人員經(jīng)常徹夜不能合眼，何源更是從沒睡過一個(gè)好覺。每天，他們都要在處理各種無法預(yù)見問題的同時(shí)，把系統(tǒng)一步步推向10毫安的極限高度。

“大家心里都堅(jiān)信，10毫安的目標(biāo)一定能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇蠹乙恢睘榱诉@個(gè)目標(biāo)而努力，但是真的到了目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的那一瞬間，大家還是非常激動(dòng)。”何源說。

唯一出乎意料的是，成功的這天恰好就是春節(jié)。“我們合個(gè)影吧!”一個(gè)提議引來了大家的贊同。這是他們對(duì)春節(jié)唯一的也是獨(dú)有的慶祝。

咔嚓!沒有專業(yè)的攝影師，沒有專業(yè)的設(shè)備。歡聲笑語中，手機(jī)鏡頭定格下每個(gè)人上揚(yáng)的嘴角和他們對(duì)未來的信心。(作者：倪思潔)