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(shù)研究所(以下簡稱“新疆理化所”)。這里，有世界首臺質(zhì)子位移損傷效應(yīng)模擬試驗裝置(PREF)——60MeV(兆電子伏)質(zhì)子加速器。

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

小小質(zhì)子，能做什么?

“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(yīng)、試驗評估方法研究提供重要支撐。

作為科技創(chuàng)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，位于甘肅蘭州的近代物理所擔綱設(shè)計，聯(lián)合建設(shè)PREF，用于開展地面模擬試驗。

一條“圍巾”

位于烏魯木齊新市區(qū)科學二街的一座普通小樓，看上去并無特別之處，只有樓前紅色條幅上“調(diào)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(shè)備就在眼前。

“鳥瞰”這個詞，不適用于PREF。

裝置建在地下，占地面積約兩畝，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。

世界首臺質(zhì)子位移損傷效應(yīng)模擬試驗裝置(PREF)全景

整個加速器由質(zhì)子源、直線注入器、同步加速器和兩個終端構(gòu)成。從示意圖看，它像一條打了結(jié)的圍巾——同步加速器是“圍脖”，質(zhì)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(zhì)子轉(zhuǎn)彎的，黃色四極磁鐵是約束質(zhì)子在管道里運動的，那個銀色的磁合金高頻腔是讓質(zhì)子加速的。”阮爽告訴記者。

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

“小型化是PREF的突出優(yōu)點。”加速器總體室副主任申國棟自豪地說，“因為小，它消耗的功率就小，更方便推廣應(yīng)用。”

阮爽指著藍色方塊比劃道：“你仔細看，下面有線圈。給它通上強電流，就能讓束流沿著同步加速器轉(zhuǎn)圈。”

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

裝置一角

在這條“圍巾”上，還點綴著一些銀色圓柱體，它們是鈦升華泵。鈦升華泵利用表面活潑的鈦膜抽除氣體，以獲得并保持極高真空度。

“2.5MeV的低能質(zhì)子注入時，必須給它提供一個高真空環(huán)境。”申國棟說，“否則束流很快全沒了。”

兩項絕活

“電源和真空技術(shù)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(huán)電源，但傳統(tǒng)電源在快循環(huán)狀態(tài)下工作，會對電網(wǎng)造成嚴重沖擊。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(shù)。這項技術(shù)能把磁鐵負載中的能量回收到電源，方便下一次脈沖使用，既降本增效，又節(jié)能減排。

快循環(huán)真空室是PREF的另一個挑戰(zhàn)。

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毫米厚的不銹鋼真空室外側(cè)焊上一圈加強筋，效果很好，但要用一種特制鋼材，國內(nèi)沒有生產(chǎn)廠家。而后者，又沒有一體成型大尺寸陶瓷真空室制作技術(shù)，用現(xiàn)有技術(shù)會發(fā)生漏氣。”申國棟說。

怎么破題?

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(lǐng)團隊吃起了“螃蟹”。

技術(shù)攻關(guān)討論會上，團隊成員“腦洞大開”——既然能在真空室的外面加筋，為什么不能在里面加?就像城門洞里的拱券，應(yīng)該特別結(jié)實。

團隊用了3年時間，創(chuàng)新性提出陶瓷內(nèi)襯真空室方案。經(jīng)過3次技術(shù)迭代升級，他們最終制作出鈦合金內(nèi)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(shù)專家弗里茨·卡斯珀斯的贊賞。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：“真空室在磁鐵里嵌著，而鈦合金內(nèi)襯骨架在真空室里，看不到。”

三個愿望

離開加速器大廳返回地面，記者又來到中央控制室。這里有電源、高頻功率源、束診與真空等遠程操控設(shè)備，以及水冷通風、控制網(wǎng)絡(luò)、輻射防護等實時監(jiān)測系統(tǒng)，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(jīng)在這里工作了大半年。　　“只有練好‘基本功’、打好‘配合戰(zhàn)’，才能把事情做漂亮。我經(jīng)常想起楊主任的這番話。”姚麗萍說。

在蘭州坐鎮(zhèn)指揮的楊建成對此并不否認：“我要求高，說話又直，對他們非常苛刻。他們都已經(jīng)習慣了。”

苛刻，源于刻骨的教訓。“我們第一次在甘肅武威調(diào)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。

從那以后，為保證設(shè)備上線順利，每個測試環(huán)節(jié)都要反復多次。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(shè)備進場安裝;8月9日測試完成，準備調(diào)試出束。憑借以往經(jīng)驗，楊建成和團隊做好了“大干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(xiàn)質(zhì)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(yīng)研究提供先進的實驗平臺。

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著陸。“原本準備再給團隊助把力，沒想到他們給我一個這么大的驚喜!”

那一刻，常年繃著一根弦的楊建成終于得到片刻放松。他跟團隊成員開起玩笑：“那我現(xiàn)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，這些年從來沒有松懈過。”

奮斗不息，創(chuàng)新不止。接下來，楊建成計劃結(jié)合人工智能等技術(shù)，對PREF進行深入的規(guī)劃。

他有三個愿望：讓非專業(yè)人員也能操作PREF;把它做成標準化模塊，用戶可直接購買;結(jié)合新原理、新技術(shù)、新材料，讓它繼續(xù)變小，加速推廣應(yīng)用步伐。

“相信再有10年，我們質(zhì)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。