解码世界首台质子位移损伤效应模拟试验装置

 

隆冬，塞外。风刀霜剑挡不住探究的热情。

从甘肃兰州一路向西，跨越2000公里，科技日报记者来到中国科学院新疆理化技术研究所（以下简称“新疆理化所”）。这里，有世界首台质子位移损伤效应模拟试验装置（PREF）——60MeV（兆电子伏）质子加速器。

肉眼不及之处，上亿个带电质子正在以零点几倍光速飞奔。它们集结起来，浩浩荡荡，形成束流。

小小质子，能做什么？

“长久以来，我国缺乏能够全面评估器件在轨辐射损伤风险的重器，这给航天器和载荷带来严重隐患。”中国科学院近代物理研究所（以下简称“近代物理所”）加速器总体室副研究员阮爽告诉记者，PREF将为器件空间位移损伤效应、试验评估方法研究提供重要支撑。

作为科技创新的国家队，2018年11月，中国科学院挑起重担：由新疆理化所牵头，位于甘肃兰州的近代物理所担纲设计，联合建设PREF，用于开展地面模拟试验。

一条“围巾”

位于乌鲁木齐新市区科学二街的一座普通小楼，看上去并无特别之处，只有楼前红色条幅上“调试成功”的字样，让它显得与众不同。

记者跟随阮爽走进这座小楼，乘电梯而下，来到加速器大厅，PREF的硬件设备就在眼前。

“鸟瞰”这个词，不适用于PREF。

装置建在地下，占地面积约两亩，无法饱览它的全貌。但当记者走进它的“心腹”，看到各式仪器组成的方阵时，还是被深深震撼了。

整个加速器由质子源、直线注入器、同步加速器和两个终端构成。从示意图看，它像一条打了结的围巾——同步加速器是“围脖”，质子源和终端是随风飘起的两端。

从防护门进入，放眼望去，视线最先会被蓝色、黄色、银色的方块所吸引。它们是PREF的重要工作单元：磁铁和腔体。

“蓝色二极磁铁是让质子转弯的，黄色四极磁铁是约束质子在管道里运动的，那个银色的磁合金高频腔是让质子加速的。”阮爽告诉记者。

这些大块头顺接起来，形成一个环状，即同步加速器。目测不大，周长确实也只有18米，为国内最小。

“小型化是PREF的突出优点。”加速器总体室副主任申国栋自豪地说，“因为小，它消耗的功率就小，更方便推广应用。”

阮爽指着蓝色方块比划道：“你仔细看，下面有线圈。给它通上强电流，就能让束流沿着同步加速器转圈。”

束流每转一圈，经过高频磁合金加载腔一次，速度就增加一点。上百万圈后，最大可达约0.35倍光速，慢引出到终端开展质子辐照实验。

在这条“围巾”上，还点缀着一些银色圆柱体，它们是钛升华泵。钛升华泵利用表面活泼的钛膜抽除气体，以获得并保持极高真空度。

“2.5MeV的低能质子注入时，必须给它提供一个高真空环境。”申国栋说，“否则束流很快全没了。”

两项绝活

“电源和真空技术是PREF的两项绝活。”阮爽带记者边看边介绍。

快速的磁场变化速率必须依靠快循环电源，但传统电源在快循环状态下工作，会对电网造成严重冲击。为解决这一问题，近代物理所提出了全储能非谐振大功率电源新技术。这项技术能把磁铁负载中的能量回收到电源，方便下一次脉冲使用，既降本增效，又节能减排。

快循环真空室是PREF的另一个挑战。

解决方案有两种：一种是薄壁加筋，另一种是全陶瓷真空室。

“前者是给0.3毫米厚的不锈钢真空室外侧焊上一圈加强筋，效果很好，但要用一种特制钢材，国内没有生产厂家。而后者，又没有一体成型大尺寸陶瓷真空室制作技术，用现有技术会发生漏气。”申国栋说。

怎么破题？

2019年初，近代物理所加速器中心主任、强流重离子加速器装置（HIAF）总工程师杨建成带领团队吃起了“螃蟹”。

技术攻关讨论会上，团队成员“脑洞大开”——既然能在真空室的外面加筋，为什么不能在里面加？就像城门洞里的拱券，应该特别结实。

团队用了3年时间，创新性提出陶瓷内衬真空室方案。经过3次技术迭代升级，他们最终制作出钛合金内衬极高真空室。

这个方案得到了欧洲核子研究中心资深技术专家弗里茨·卡斯珀斯的赞赏。他建议以“China Dragon”（中国龙）为真空室命名。

当记者提出“很想目睹它的真容”时，阮爽笑起来：“真空室在磁铁里嵌着，而钛合金内衬骨架在真空室里，看不到。”

三个愿望

离开加速器大厅返回地面，记者又来到中央控制室。这里有电源、高频功率源、束诊与真空等远程操控设备，以及水冷通风、控制网络、辐射防护等实时监测系统，运行井然有序。

在中央控制室，记者见到了加速器总体室助理研究员姚丽萍。她和阮爽从兰州来到新疆，已经在这里工作了大半年。

“只有练好‘基本功’、打好‘配合战’，才能把事情做漂亮。我经常想起杨主任的这番话。”姚丽萍说。

在兰州坐镇指挥的杨建成对此并不否认：“我要求高，说话又直，对他们非常苛刻。他们都已经习惯了。”

苛刻，源于刻骨的教训。“我们第一次在甘肃武威调试装置，犯了很多低级错误。”其中有个错，杨建成足足用了半年时间才找出来。

从那以后，为保证设备上线顺利，每个测试环节都要反复多次。在杨建成的严格要求下，加速器团队胆大心细，善打硬仗。

2023年3月，工艺设备进场安装；8月9日测试完成，准备调试出束。凭借以往经验，杨建成和团队做好了“大干3个月”的准备。

孰料，当天就传来好消息：PREF建成出束，不仅成功实现质子的高效均匀引出，更能满足器件照射需求，可以为我国空间辐射效应研究提供先进的实验平台。

接到报喜电话时，杨建成从兰州搭乘的前往乌鲁木齐的飞机刚刚着陆。“原本准备再给团队助把力，没想到他们给我一个这么大的惊喜！”

那一刻，常年绷着一根弦的杨建成终于得到片刻放松。他跟团队成员开起玩笑：“那我现在是不是就可以回去了？”挂断电话，杨建成鼻头一酸：“项目是给航天用的，这些年从来没有松懈过。”

奋斗不息，创新不止。接下来，杨建成计划结合人工智能等技术，对PREF进行深入的规划。

他有三个愿望：让非专业人员也能操作PREF；把它做成标准化模块，用户可直接购买；结合新原理、新技术、新材料，让它继续变小，加速推广应用步伐。

“相信再有10年，我们质子加速器的研究水平一定能站在国际前沿，造福全人类！”展望未来，杨建成的话语掷地有声。

（原题：质子，在这里加速）