世界首台！質子，在這裏加速

隆冬，塞外。風刀霜劍擋不住探究的熱情。

從甘肅蘭州一路向西，跨越2000公里，科技日報記者來到中國科學院新疆理化技術研究所（以下簡稱“新疆理化所”）。這裏，有世界首台質子位移損傷效應模擬試驗裝置（PREF）——60MeV（兆電子伏）質子加速器。

肉眼不及之處，上億個帶電質子正在以零點幾倍光速飛奔。它們集結起來，浩浩蕩蕩，形成束流。

小小質子，能做什麼？“長久以來，我國缺乏能夠全面評估器件在軌輻射損傷風險的重器，這給航天器和載荷帶來嚴重隱患。”中國科學院近代物理研究所（以下簡稱“近代物理所”）加速器總體室副研究員阮爽告訴記者，PREF將為器件空間位移損傷效應、試驗評估方法研究提供重要支撐。

作為科技創新的國家隊，2018年11月，中國科學院挑起重擔：由新疆理化所牽頭，位於甘肅蘭州的近代物理所擔綱設計，聯合建設PREF，用於開展地面模擬試驗。

一條“圍巾”

位於烏魯木齊新市區科學二街的一座普通小樓，看上去並無特別之處，只有樓前紅色條幅上“調試成功”的字樣，讓它顯得與眾不同。

記者跟隨阮爽走進這座小樓，乘電梯而下，來到加速器大廳，PREF的硬件設備就在眼前。

“鳥瞰”這個詞，不適用於PREF。

裝置建在地下，佔地面積約兩畝，無法飽覽它的全貌。但當記者走進它的“心腹”，看到各式儀器組成的方陣時，還是被深深震撼了。

世界首台質子位移損傷效應模擬試驗裝置（PREF）全景

整個加速器由質子源、直線注入器、同步加速器和兩個終端構成。從示意圖看，它像一條打了結的圍巾——同步加速器是“圍脖”，質子源和終端是隨風飄起的兩端。

從防護門進入，放眼望去，視線最先會被藍色、黃色、銀色的方塊所吸引。它們是PREF的重要工作單元：磁鐵和腔體。

“藍色二極磁鐵是讓質子轉彎的，黃色四極磁鐵是約束質子在管道里運動的，那個銀色的磁合金高頻腔是讓質子加速的。”阮爽告訴記者。

這些大塊頭順接起來，形成一個環狀，即同步加速器。目測不大，周長確實也只有18米，為國內最小。

**“小型化是PREF的突出優點。”**加速器總體室副主任申國棟自豪地説，“因為小，它消耗的功率就小，更方便推廣應用。”

阮爽指着藍色方塊比劃道：“你仔細看，下面有線圈。給它通上強電流，就能讓束流沿着同步加速器轉圈。”

束流每轉一圈，經過高頻磁合金加載腔一次，速度就增加一點。上百萬圈後，最大可達約0.35倍光速，慢引出到終端開展質子輻照實驗。

裝置一角

在這條“圍巾”上，還點綴着一些銀色圓柱體，它們是鈦昇華泵。鈦昇華泵利用表面活潑的鈦膜抽除氣體，以獲得並保持極高真空度。

“2.5MeV的低能質子注入時，必須給它提供一個高真空環境。”申國棟説，“否則束流很快全沒了。”

兩項絕活

**“電源和真空技術是PREF的兩項絕活。”**阮爽帶記者邊看邊介紹。

快速的磁場變化速率必須依靠快循環電源，但傳統電源在快循環狀態下工作，會對電網造成嚴重衝擊。為解決這一問題，近代物理所提出了全儲能非諧振大功率電源新技術。這項技術能把磁鐵負載中的能量回收到電源，方便下一次脈衝使用，既降本增效，又節能減排。

快循環真空室是PREF的另一個挑戰。

解決方案有兩種：一種是薄壁加筋，另一種是全陶瓷真空室。

“前者是給0.3毫米厚的不鏽鋼真空室外側焊上一圈加強筋，效果很好，但要用一種特製鋼材，國內沒有生產廠家。而後者，又沒有一體成型大尺寸陶瓷真空室製作技術，用現有技術會發生漏氣。”申國棟説。

怎麼破題？

2019年初，近代物理所加速器中心主任、強流重離子加速器裝置（HIAF）總工程師楊建成帶領團隊吃起了“螃蟹”。

技術攻關討論會上，團隊成員“腦洞大開”——既然能在真空室的外面加筋，為什麼不能在裏面加？就像城門洞裏的拱券，應該特別結實。

團隊用了3年時間，創新性提出陶瓷內襯真空室方案。經過3次技術迭代升級，他們最終製作出鈦合金內襯極高真空室。

團隊成員合影

這個方案得到了歐洲核子研究中心資深技術專家弗裏茨·卡斯珀斯的讚賞。他建議以“China Dragon”（中國龍）為真空室命名。

當記者提出“很想目睹它的真容”時，阮爽笑起來：“真空室在磁鐵裏嵌着，而鈦合金內襯骨架在真空室裏，看不到。”

三個願望

離開加速器大廳返回地面，記者又來到中央控制室。這裏有電源、高頻功率源、束診與真空等遠程操控設備，以及水冷通風、控制網絡、輻射防護等實時監測系統，運行井然有序。

在中央控制室，記者見到了加速器總體室助理研究員姚麗萍。她和阮爽從蘭州來到新疆，已經在這裏工作了大半年。

“只有練好‘基本功’、打好‘配合戰’，才能把事情做漂亮。我經常想起楊主任的這番話。”姚麗萍説。

在蘭州坐鎮指揮的楊建成對此並不否認：“我要求高，説話又直，對他們非常苛刻。他們都已經習慣了。”

苛刻，源於刻骨的教訓。“我們第一次在甘肅武威調試裝置，犯了很多低級錯誤。”其中有個錯，楊建成足足用了半年時間才找出來。

從那以後，為保證設備上線順利，每個測試環節都要反覆多次。在楊建成的嚴格要求下，加速器團隊膽大心細，善打硬仗。

2023年3月，工藝設備進場安裝；8月9日測試完成，準備調試出束。憑藉以往經驗，楊建成和團隊做好了“大幹3個月”的準備。

孰料，當天就傳來好消息：PREF建成出束，不僅成功實現質子的高效均勻引出，更能滿足器件照射需求，可以為我國空間輻射效應研究提供先進的實驗平台。

接到報喜電話時，楊建成從蘭州搭乘的前往烏魯木齊的飛機剛剛着陸。“原本準備再給團隊助把力，沒想到他們給我一個這麼大的驚喜！”

那一刻，常年繃着一根弦的楊建成終於得到片刻放鬆。他跟團隊成員開起玩笑：“那我現在是不是就可以回去了？”掛斷電話，楊建成鼻頭一酸：“項目是給航天用的，這些年從來沒有鬆懈過。”

奮鬥不息，創新不止。接下來，楊建成計劃結合人工智能等技術，對PREF進行深入的規劃。

他有三個願望：讓非專業人員也能操作PREF；把它做成標準化模塊，用户可直接購買；結合新原理、新技術、新材料，讓它繼續變小，加速推廣應用步伐。

“相信再有10年，我們質子加速器的研究水平一定能站在國際前沿，造福全人類！”展望未來，楊建成的話語擲地有聲。

（科技日報記者 王迎霞 頡滿斌）