在两公里长的“跑道”上追赶光速

　　大国重器HIAF背后的十六年攻坚

　　杨建成站在沙盘前，手指着模型上的蓝色线条，这位中国科学院近代物理研究所副所长、强流重离子加速器装置总工程师，这样介绍眼前的这个大科学装置：“加速器对科研人员而言，就相当于士兵手里的武器了。有两个非常重要的参数，一个是流强，一个是能量，决定了加速器到底能探索什么样的微观物质、微观结构。”

　　强流重离子加速器装置简称HIAF，于2018年12月开工，束线总长两公里，包含约6000台套大型设备、500万个零部件，工艺管线总长超过150万米。从构想到出束，整整走了16年。7月21日，由8位院士、15位教授组成的验收专家组一致认为，HIAF综合性能达到国际同类装置领先水平，实现了我国强流重离子加速器装置跨越发展。

　　在地下13米的隧道深处，重离子束流已经成功射出。

　　“从头到尾都是中国自己实现的”

　　0.3毫米，相当于3张A4纸叠在一起的厚度。在总长为569米的HIAF增强器BRing同步加速器中，长度约为340米的真空管道，壁厚只有0.3毫米，这也使BRing成为国际同类加速器中规模最大的常温超薄壁极高真空系统。

　　“越薄越好。”中国科学院近代物理研究所加速器总体室负责人申国栋解释，“如果太厚，磁场快速变化时会产生严重的涡流效应，一方面会导致磁场衰减和延迟，另一方面涡流损耗会使管道发热进而使真空度变差，这将严重影响束流品质与寿命。”

　　就是这0.3毫米，要承受一个大气压的压力，还要经受250摄氏度的长期高温烘烤。HIAF真空技术团队成员刘建龙告诉中青报·中青网记者，从兰州重离子研究装置(HIRFL)的4毫米，到空间环境地面模拟装置(SESRI)的1毫米，再到HIAF的0.3毫米，这条减薄之路，团队走了十几年。

　　他们最初选择了陶瓷作为骨架材料，“钇稳定”的氧化锆陶瓷做出来后，经过上千个小时的烘烤测试，裂了。

　　换成“铈稳定”的氧化锆陶瓷，上万小时的热稳定测试通过了，可就在其中一次测试中，陶瓷突然整体断裂。

　　“当时，我们心里特别难受。”刘建龙回忆，“我们把消息告诉杨老师，他说‘这个事情不是你们的问题，咱们一起承担’。”

　　那是2022年，杨建成带着团队，从早上睁眼一直忙到晚上，十几个同事分工计算不同的方案，用不同参数，反复优化了大概两个月。

　　方案彻底转向钛合金。但0.5毫米的超薄板加上加强筋，用什么工艺实现？答案是3D打印——这是加速器行业首次将3D打印技术引入到薄壁真空室的加工中。

　　“刚开始，它表面有许多凸起的小点，会形成应力集中。”刘建龙说，“后来我们反复优化加工工艺，现在我们的真空室非常漂亮，没有了那些凸点。”

　　贴合问题也曾让人头疼，一位同事提出：钛合金环上面是平的，但抽真空以后受到大气压作用，会有一个形变，通过计算会下陷一毫米。“那我们为什么不直接在设计中把它做成拱形？”通过这样一个凸起的设计，把贴合度保证得特别好，完美贴合。

　　“为了验证工艺，从陶瓷到钛合金，我们做了大概10套样机。”刘建龙说。

　　最终诞生的0.3毫米超薄壁钛合金骨架内衬的极高真空室，真空度接近月球表面，达到了10的负12次方毫巴。

　　欧洲同行专程来参观测试，回国后，他们发来一封邮件：“你们做了一个非常好的工作，从头到尾都是你们中国自己实现的。”杨建成在采访中复述了那句话：“欧洲专家建议这个技术应该命名为‘中国龙’，这就是我们的创新。”

　　“沿途下蛋”，不断研发创新技术

　　HIAF的增强器，还需要在极短时间内把电流从零拉升到3900安培。中国科学院近代物理研究所加速器技术中心电源技术室主任吴凤军说：“我们的设计指标是38000安培每秒，目前在HIAF上，实测数据已突破5万多安培每秒。”

　　如果用传统方案，单台二极铁电源需要从电网抽取十几兆瓦的功率。德国同类装置为此新建了一座300兆瓦的配电站，供电成本与配套门槛极高。

　　“那天晚上我画了一张草图。”据杨建成回忆，这个想法催生了“变前励全储能快循环脉冲电源”。

　　吴凤军打了个比方，这个电源技术类似于一辆增程式的新能源车，“弹射起步，百米加速”。加速时电容/电池释放能量，制动段将能量再储存至电容/电池中，以供下一次加速使用，使得“发动机”(电网)整体保持平稳运行。最终，单台二极铁电源的配电功率从15兆瓦降至约1兆瓦。“容量上已经有了量级上的压缩。”吴凤军说。

　　技术创新实现性能飞跃的同时，设备可靠性成为团队亟待攻克的另一大难题。在样机调试阶段，电源频繁出现合闸失败的问题。

　　“整套设备包含十几个电源机柜，需要逐一启动运行，调试过程中经常出现单个机柜受电磁干扰、触发电源误报故障的情况，设备会误启动故障保护机制，导致整体合闸流程中断，很难完成最终启动。”吴凤军回忆那些解决问题的日子，又感慨了一句，“真的很难。”

　　为彻底解决干扰故障问题，研发团队持续迭代优化设备结构，先后完成了从大板式结构、半模块化结构到全模块化结构的3次升级。

　　类似的故事也发生在高频系统，该系统是粒子加速器的“超级发动机”。中国科学院近代物理研究所加速器技术中心高频技术室主任丛岩还记得，研制高梯度液冷磁合金高频系统时，所采购的核心关键部件大尺寸纳米晶软磁合金环性能远低于设计指标，不能满足工程要求。

　　“是真做不出来。”丛岩说，“但还得硬着头皮，继续去完成设备的研发，不能影响到整套装置的建设。”

　　团队从基础原理重新研究，通过院企合作的方式，前后花了两年多时间，最终完成了研发。测试完成的那天，整个团队都“松了口气”。最终，研发完成的国产磁合金环性能比国际上同类产品高60%以上。

　　“以开玩笑的话来说，我们就像是在‘沿途下蛋’，不断研发创新技术。”杨建成总结。

　　如今，这些“沿途”开发出来的电源和高频系统的创新技术，已经被应用到更广阔的领域。

　　“以前的加速器，流强比较弱的情况下，我们想做某个实验可能需要十天半个月。但现在我们把流强提升百倍、上千倍了，可能几个小时，就把这个实验做完了。”中国科学院近代物理研究所副研究员蔡付成说。

　　在直线加速器出口处，有一段200多米的预留空间。蔡付成指着那段空管道告诉中青报·中青网记者：“这是为未来升级预留的空间。”

　　在大科学工程建设中没有“差不多”

　　HIAF束线总长两公里，按照国际惯例，这类装置的安装工期大约需要3年。“我们是用了8个月完成的，现场几乎是零返工，就像搭积木一样。”中国科学院近代物理研究所通用技术中心主任陈文军提到，秘诀是数字孪生技术。

　　“加速器建设最容易导致拖期的就是安装过程中的返工。”陈文军说，“我们有数字孪生技术，避免了返工，真正做到了数字化设计，标准化加工，模块化安装。”陈文军告诉中青报·中青网记者，团队大胆起用年轻人担任子系统负责人。比如在电磁兼容工作中，一位90后工程师带领团队攻克了弱信号探测器降噪、超导直线电磁兼容等一系列难题。

　　地下13米的隧道里，准直精度要求达到0.05毫米——相当于一根头发丝的半径。HIAF的束流线长达两公里，而且HIAF装置的各自束线相互之间不通视，磁铁数以千计。“团队通过一系列的准直技术创新，配合自主开发的误差处理软件，把安装精度做到了国际同类装置的前列。”陈文军说。

　　建造过程也充满了挑战，HIAF地下隧道深13米，地下水丰富、盐雾腐蚀极强，隧道内布置的是大量精密电磁与真空设备，对结构密闭性、平整度和施工精度要求极高。微小裂缝或渗水就可能损毁核心设备，造成巨大损失。HIAF现场负责人王儒亮介绍，这种超高标准工况，常规民用施工标准完全无法覆盖。

　　电磁兼容是另一道隐蔽难题。加速器内同时存在兆瓦级大功率供电电源，又存在毫伏级高精度弱信号探测设备，布线或屏蔽稍有疏漏，电磁串扰就会淹没束流探测信号。信号探测设备探测精度，需要保持到5毫伏以内。王儒亮提到，2025年一次调试中，虽然综合布线严格按照工艺要求施工，但是测试过程中发现信号串扰非常严重。工艺团队逐段拆解整条线路，最终找到两处隐患：设备底部漏装专用屏蔽环，邻近大功率电源持续辐射干扰。

　　仅这两个微小零件缺失，就让串扰值飙升至8毫伏，调试无法进行。此后，项目组建立三轮交叉复核制度，所有电磁设备上电前由3组人员分层核查正负极标识、接线紧固度、屏蔽完整性，从源头杜绝虚接、漏装隐患。这一系列经历表明，在大科学工程建设中，每一个细节都关乎成败，没有任何“差不多”可言。

　　凭借勇于创新和科学严谨的团队精神，HIAF交出了一份令人惊叹的成绩单：16小时实现2公里束线全线贯通，创造了国际同类装置束流调试速度新纪录，典型氧离子束与铋离子束流强分别将原国际最高指标提高3倍和7.5倍；高精度环形谱仪的核质量测量精度达到国际领先水平。

　　这些工程上的磨砺，最终指向了广阔的应用前景：在航天领域，HIAF可以为卫星和航天器做抗辐射测试；在农业领域，HIAF可用于重离子辐照育种；在癌症治疗方面，基于大科学装置研发的新一代重离子治疗装置，占地面积从7到8亩缩减到两亩，治疗能力从每年1000例提升到5000例。

　　“我们的目标就是，通过我们做大科学装置研发的这些技术来造福民生，通过一次一次的迭代，最终，我们要实现精准放疗的普惠。”杨建成说。

　　中国科学院近代物理研究所党委书记、副所长胡正国这样概括装置的意义：“强流重离子加速器既可以做‘顶天’的研究，也可以做‘立地’的研究。在解决国家重大需求方面可以应用，在面向国民经济主战场和人民生命健康方面，也能发挥作用。”

　　地下13米，那束看不见的重离子仍在奔跑。它将在真空管道中绕行，被加速到接近光速的90%以上，一秒钟转数十万圈，然后撞向靶心，探索微观世界的奥秘。

　　“在这个领域，我们实现了跟跑、并跑，从这个装置开始，要实现领跑。”杨建成说。

　　中青报·中青网记者 张渺来源：中国青年报 【编辑:万纪玮】