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2015年春，中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）4個研究中心的科研骨干齊聚一堂。項目總負責人、中國科學院院士趙紅衛(wèi)的話，如同一顆投入平靜湖面的石子，激起層層漣漪：“國際重離子領域急需一臺低能量強流重離子加速器裝置，這一項目存在多項重大物理與技術挑戰(zhàn)，但我們要盡快建一臺?！背瑢щx子源研制負責人、近代物理所低能粒子束技術中心主任孫良亭介紹，面對“低能區(qū)重大需求”與技術封鎖的雙重挑戰(zhàn)，這個當時平均年齡僅31歲的團隊，決定自主研發(fā)多功能、小型化低能量重離子裝置，并取名“LEAF”，即低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置。近日，該團隊榮獲中國科學院第六屆科苑名匠稱號。啟航：挑戰(zhàn)技術難題LEAF啟動之初，便遭遇了攔路虎。超導高電荷態(tài)ECR離子源是LEAF的核心部件，鈮三錫材料又是超導離子源技術的“心臟”。然而，當時國內(nèi)在鈮三錫導線繞制普通線圈方面，加工精度尚無法滿足要求，更別說將其應用于復雜的超導離子源磁體制造。團隊成員深知，唯有自主鉆研，才能打破困境。為了加工出合格的線圈，團隊成員要將頭發(fā)絲般粗細、薯片般酥脆的鈮三錫超導線，按設計圖密密匝匝纏繞700多圈，且誤差精度控制在50微米以內(nèi)。起初，因技術經(jīng)驗匱乏，纏繞的線圈如同雜亂無章的麻線團，但經(jīng)他們反復試錯和優(yōu)化改進，最終完成了高精度鈮三錫線圈的加工。線圈繞好后，新的難題又來了——如何檢測線圈的技術性能？面對這一技術空白，團隊成員發(fā)揚“小馬過河”精神，大膽推演、勇于嘗試。他們通過無數(shù)次仿真試驗，成功攻克了檢測難題，在首次測試中就驗證了自主研制的鈮三錫超導線圈性能。然而，超導磁鐵裝配過程又出現(xiàn)新挑戰(zhàn)——如何控制其在強大電磁力作用下的應力分布，確保磁體結(jié)構的穩(wěn)定性和可靠性？“我們嘗試多種方法，效果都不理想。直到發(fā)現(xiàn)金屬壓力囊和鍵條技術的優(yōu)勢?！苯锢硭呒壒こ處焻潜泵窕貞浾f，“這項技術如同為超導磁體量身定制的‘緊身衣’，既能保證超導磁體在強大電磁力作用下的穩(wěn)定性，又能靈活調(diào)整應力分布，滿足不同實驗工況的要求。”在研制過程中，團隊持續(xù)探索新的方法和工藝，對每個細節(jié)反復驗證與優(yōu)化。他們最終成功將金屬囊的耐壓能力從最初的兩三兆帕提升至50兆帕，搭建起高場超導磁體裝配平臺，并且采用先進的應力分析方法和應變檢測技術，實現(xiàn)了超導磁體樣機及整機的成功研制。加速：打造離子“高速公路”離子從“發(fā)生器”中產(chǎn)生后，需進入“高速公路”加速。團隊研制的連續(xù)波重離子RFQ加速器，如同在微觀世界里打造了一條超級高速公路，能讓20萬億個離子同時起飛，奔向?qū)嶒灠卸?。然而，建設這條“高速公路”并非易事。過去，大多數(shù)同類加速器加速的重離子束只是“涓涓細流”，而團隊的目標是讓重離子束形成“奔涌大河”。為實現(xiàn)這一目標，他們?nèi)缤煌ㄒ?guī)劃師，重新設計離子運動的“路線圖”，讓電磁場更精準地“引導”離子；同時對加速器進行結(jié)構優(yōu)化，讓離子束在高速運動時更“穩(wěn)”，不易散開。張周禮在2004年以碩博連讀方式入所。初入此道，他心中滿是疑惑：“為何一定要執(zhí)著于RFQ加速器研究？”“你有所不知，RFQ加速器雖體積不大，能量也不算高，但其功能之強大、結(jié)構之復雜，是其他加速器難以比擬的。它是最具挑戰(zhàn)性、最能激發(fā)科研熱情，也最能帶來成就感的科研項目?！睂煹脑捵審堉芏Y豁然開朗，堅定了他研制RFQ加速器的決心。在研發(fā)過程中，最大挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)高電荷態(tài)、高流強的束流加速。當時，國內(nèi)外的研究大多集中在低流強領域，而張周禮立志攻克20毫安的高流強難題。為實現(xiàn)這一目標，團隊采用全新的動力學設計方案——均溫法，最終戰(zhàn)勝高流強帶來的技術挑戰(zhàn)。“這一技術突破的意義在于，未來這類加速器能更高效地為重離子科學研究服務，為先進材料、核能技術、先進放療等領域提供持續(xù)穩(wěn)定的離子束?！睂O良亭表示，就像從“間歇供水”升級到“全天候高壓供水”，效率和實用性都大大提升。升級：調(diào)配“雞尾酒束”在重離子應用領域，尤其是核能材料研究中，能夠讓不同重離子束像訓練有素的車隊一樣精準配合至關重要。為此，團隊給加速器安裝了一套“速度調(diào)節(jié)器”，就像給高速公路設計了智能調(diào)度系統(tǒng)。以往，一條車道只能跑一種車——單一離子束。如今，通過這套系統(tǒng)，不僅能讓3種離子束在一條車道上跑，還能通過調(diào)節(jié)速度，讓這些“離子車”齊刷刷到達終點。這種多離子混合束被形象地稱為“雞尾酒束”，能夠滿足更復雜實驗的需求。離子源室副主任楊堯回憶，科研過程中，DTL調(diào)能系統(tǒng)的研制尤為艱難。但最終他們研制出的DTL調(diào)能系統(tǒng)在低能強流高電荷態(tài)等關鍵技術指標上均達到國際領先水平，特別是在束流強度方面，遠超國際同類裝置。孫良亭介紹：“我們的束流強度指標現(xiàn)在是國際之最。以氧離子束為例，國際指標大概在0.6毫安左右，而我們達到了1.1毫安。同時，我們還將束流能散度水平提高了一個量級，為核物理學家提供了更精確、穩(wěn)定的實驗條件?！蹦壳?，LEAF裝置已通過國家驗收，為國內(nèi)外60多個實驗提供了豐富的束流，供束1.3萬小時以上，取得了一批重要的研究成果。但團隊并未停下前進的腳步。孫良亭表示：“一方面，我們將進一步優(yōu)化裝置性能，提高束流強度和穩(wěn)定性；另一方面，我們將積極探索該裝置在更多領域的應用潛力，如新材料研發(fā)、放射性同位素生產(chǎn)等?！保ㄔd于《中國科學報》?2025-07-02?第4版?綜合）