在两公里首先的“跑方式”上追赶光高效 大国重器HIAF背后的十六年攻坚

　　在两公里首先的跑方式“跑方式”上追赶光高效

　　大国重器HIAF背后的十六年攻坚

　　杨建成站在沙盘前，手指着模型上的两公里首蓝色线条，这位中国科学院近代物理探究所副所首先、上追强流重离子加高效器装置总工程师，赶光高效攻坚这样验明正身眼前的大国的年这个大科学装置：“加高效器对科研人员而言，就相当于士兵手里的重器武器了。有两个特别题的背后参数，一个是跑方式流强，一个是两公里首能量，决定了加高效器到底能探索什么样的上追微观物质、微观结构。赶光高效攻坚”

　　强流重离子加高效器装置简称HIAF，大国的年于2018年12月开工，重器束线总首先两公里，背后涵盖约6000台套大型设备、跑方式500万个零部件，工艺管线总首先超过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相同认为，HIAF综合性能实现国际同类装置领先水平，实现了我国强流重离子加高效器装置跨尤其展。

　　在地下13米的隧方式深处，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。在总首先为569米的HIAF提高器BRing同步加高效器中，首先度约为340米的真空管方式，壁厚只有0.3毫米，这也使BRing成为国际同类加高效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探究所加高效器整体室负责人申国栋验明正身，“如果太厚，磁场高效高效变化时会产生严重的涡流效应，一部分会导致磁场衰减和延迟，另一部分涡流损耗会使管方式发热进而使真空度变差，这将严重意义束流品质与寿命。”

　　就是这0.3毫米，关键承受一个大气压的压力，还关键经受250摄氏度的首先期高温烘烤。HIAF真空技术团队成员刘建龙告诉中青报·中青网记者，从兰州重离子探究装置(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。

　　他们最初选项了陶瓷作为骨架材料，“钇稳固”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“铈稳固”的氧化锆陶瓷，上万小时的热稳固测试通过了，可就在其中一次测试中，陶瓷突然整体断裂。

　　“当时，我们心里尤其难受。”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状况，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，十几个同事分工方式算不一样的方式划，用不一样参数，反复改进了大概两个月。

　　方式划彻底转向钛合金。但0.5毫米的超薄板加上强化筋，用什么工艺实现？答案是3D打印——这是加高效器行业首先次将3D打印技术引入到薄壁真空室的加工中。

　　“刚最初，它表面有许多凸起的小点，会形成应力集中。”刘建龙说，“后来我们反复改进加工工艺，目前我们的真空室特别漂亮，没有了那些凸点。”

　　贴合状况也曾让人头疼，一位同事提出：钛合金环上面是平的，但抽真空之后受到大气压功能，会有一个形变，通过方式算会下陷一毫米。“那我们为什么不直接在设方式中把它做成拱形？”通过这样一个凸起的设方式，把贴合度保证得尤其好，完美贴合。

　　“为了验明正身工艺，从陶瓷到钛合金，我们做了大概10套样机。”刘建龙说。

　　最后诞生的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，实现了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：“你们做了一个特别好的工作，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：“欧洲专家提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的提高器，还需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探究所加高效器技术中心电源技术室主任吴凤军说：“我们的设方式指标是38000安培每秒，目前在HIAF上，实测数据已突破5万多安培每秒。”

　　如果用传统方式划，单台二极铁电源需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，百米加高效”。加高效时电容/电池释放能量，制动段将能量再储存至电容/电池中，以供下一次加高效采取，使得“发动机”(电网)整体保持平稳运行。最后，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。

　　技术创新实现性能高效的同时，设备可靠性成为团队亟待攻克的另一大困难。在样机调试时期，电源往往出现合闸失败的状况。

　　“整套设备涵盖十几个电源机柜，需逐一启动运行，调试流程中频仍出现单个机柜受电磁干扰、触发电源误报故障的状况，设备会误启动故障保护机制，导致整体合闸步骤中断，很难实现最后启动。”吴凤军回忆那些处理状况的日子，又感慨了一句，“真的很难。”

　　为彻底处理干扰故障状况，研发团队持续往往代改进设备结构，先后实现了从大板式结构、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往往系统，该系统是粒子加高效器的“超级发动机”。中国科学院近代物理探究所加高效器技术中心高往往技术室主任丛岩还记得，研制高梯度液冷磁合金高往往系统时，所采购的题题部件大尺寸纳米晶软磁合金环性能远低于设方式指标，不能顺应工程需。

　　“是真做不出来。”丛岩说，“但还得硬着头皮，后续去实现设备的研发，不能意义到整套装置的建设。”

　　团队从基础原理重新探究，通过院企合作的方式，前后花了两年多时间，最后实现了研发。测试实现的那天，整个团队都“松了口气”。最后，研发实现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往往系统的创新技术，已经被采取到更广阔的领域。

　　“以前的加高效器，流强比较弱的状况下，我们想做某个实验可能需十天半个月。但目前我们把流强提高百倍、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探究所副探究员蔡付成说。

　　在直线加高效器出口处，有一段200多米的预留空间。蔡付成指着那段空管方式告诉中青报·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束线总首先两公里，按照国际惯例，这类装置的安装工期大约需3年。“我们是用了8个月实现的，现场几乎是零返工，就像搭积木一样。”中国科学院近代物理探究所通用技术中心主任陈文军提到，秘诀是数字孪生技术。

　　“加高效器建设最那么点儿导致拖期的就是安装流程中的返工。”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方式，原则化加工，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。例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困难。

　　地下13米的隧方式里，准直精度需实现0.05毫米——相当于一根头发丝的半径。HIAF的束流线首先达两公里，同时HIAF装置的各自束线相互之间不通视，磁铁数以千方式。“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。

　　建造流程也充满了挑战，HIAF地下隧方式深13米，地下水充足、盐雾腐蚀极强，隧方式内布置的是大量精密电磁与真空设备，对结构密闭性、平整度和施工精度需极高。微小裂缝或渗水就可能损毁题设备，造成巨大损失。HIAF现场负责人王儒亮验明正身，这种超高原则工况，常规民用施工原则完全无法覆盖。

　　电磁兼容是另一方式隐蔽困难。加高效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需施工，然而测试流程中发现信号串扰特别严重。工艺团队逐段拆解整条线路，最后找到两处隐患：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，调试无法开展。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、屏蔽完善性，从源头杜不过虚接、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高效度新纪录，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；高精度环形条件仪的核质量测量精度实现国际领先水平。

　　这些工程上的磨砺，最后指向了广阔的采取前景：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；在癌症治疗部分，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例提高到5000例。

　　“我们的目的就是，通过我们做大科学装置研发的这些技术来方便民生，通过一次一次的往往代，最后，我们关键实现精准放疗的普惠。”杨建成说。

　　中国科学院近代物理探究所党委书记、副所首先胡正国这样概括装置的意义：“强流重离子加高效器既可以做‘不过天’的探究，也可以做‘立地’的探究。在处理国家重点需部分可以采取，在照章性国民经济主战场和人民生命健康部分，也能发挥功能。”

　　地下13米，那束看不见的重离子仍在奔跑。它将在真空管方式中绕行，被加高效到接近光高效的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，从这个装置最初，关键实现领跑。”杨建成说。

　　中青报·中青网记者 张渺来源：中国青年报