十年磨一劍
——記強流回旋加速器創(chuàng)新團隊

□ 本刊記者　王舒穎

十年磨一劍
——記強流回旋加速器創(chuàng)新團隊

□ 本刊記者王舒穎

【編者按】2015年初，“能量最高質子回旋加速器首次出束”先后入選2014年度國防科技工業(yè)十大新聞和2014年中國十大科技進展新聞。

回望1958年秋，中國第一座回旋加速器與第一座重水反應堆的建成，推動中國跨進了原子能時代，并在“一堆一器”的基礎上發(fā)展出了中國的核科技體系；2014年夏，“100MeV回旋加速器”這個名字，由于“可用于生產癌癥診斷與治癌藥物、可望為質子治癌技術研究等前沿領域帶來新突破”成功走進普通民眾的視野。坐落于北京西南郊的北京串列加速器核物理國家實驗室，在這夏秋之隔的半個世紀，先后發(fā)展了以回旋加速器為主的五類中低能強流加速器，為國防安全、基礎研究及國民經濟發(fā)展做出了重要貢獻。

100MeV回旋加速器的總設計師張?zhí)炀?，喜歡把自己的團隊比作一支“登山隊”：有共同的目標、專業(yè)的素養(yǎng)以及嚴格的標準。

2014年6月29日，張?zhí)炀粼俅巫陔娔X前打開郵箱。從6月25日加速器一次實現(xiàn)調試出束以來，來自近20個國際回旋加速器實驗室專家的祝賀郵件“蜂擁而至”。當打開南非iThemba國家實驗室加速器部主任Lowry Conradie博士的郵件時，張?zhí)炀舾惺芰说奖燃铀倨餮兄瞥晒Ω蟮男老?。這位回旋加速器領域的專家在郵件中寫道，“你們的成功清楚地展示了你們擁有一支世界級的團隊”。

“培養(yǎng)一支團隊，比建造一臺加速器更難”，張?zhí)炀舾锌?。加速器的建設周期僅57個月，而團隊從最初5人發(fā)展到現(xiàn)在的70來人，花了整整14年的時間。

多年來，張?zhí)炀粲龅竭^不少被高薪挖走的機會，而他拒絕的理由總是一個，“沒有這支隊伍我什么也做不了，與其把我挖走不如把你們的項目交給我們團隊來做”。

一步邁到世界最前沿：將強流質子加速至1/2光速

“100兆電子伏質子回旋加速器將質子加速1600多次后接近一半光速，可以產生強大的能量，能支撐國防科技、核物理、生命科學、材料科學、放射醫(yī)學等多學科領域取得突破性進展”，張?zhí)炀艚榻B。回旋加速器是目前世界上進行核物理研究的重要裝置，它利用帶電粒子在磁場中行進時會發(fā)生偏轉的原理，讓質子這樣的帶電粒子在加速器里進行回旋運動，通過電場作用這些粒子會被不斷加速，最終像子彈一樣轟擊到靶標上產生核變。

100MeV回旋加速器是國際上最大的緊湊型強流質子回旋加速器?！案吣芰俊薄案吡鲝姟薄熬o湊型”“直邊扇形磁鐵”，這幾個關鍵詞組合在一起決定了項目的理論設計、工程設計和制造，都會面臨著多個尚未解決的難題。張?zhí)炀粽f，“我們團隊的目標就是要一步邁到國際最前沿”。

質子回旋加速器是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要精通加速器物理、磁鐵、高頻、真空、機械、電氣、低溫等10多個專業(yè)，一支配合默契、專業(yè)精深的隊伍是項目成功的關鍵。

2001年初，原子能院回旋加速器實驗室僅有5個人、研究經費7萬元。當時需在綜合試驗臺架上做一套測束流強度和束流截面儀器需要十多萬經費，工程副總設計師李振國提出采用電位器代替精密定位和數(shù)據(jù)快速轉換系統(tǒng)，用一個特殊結構的法拉第筒既測流強又測截面，幾千塊就解決了問題。就是這樣，在十分艱苦的條件下，團隊完成了強流回旋加速器綜合試驗臺架和1：1的射頻腔兩個試驗項目，為設計、建造100MeV回旋加速器積累了必要的工程經驗。

當時國際上建成的緊湊型回旋加速器能量最高僅為30MeV，將緊湊結構的回旋加速器從30MeV提高到100MeV受到很多專家的質疑。團隊經過反復論證，認為緊湊型直邊扇回旋加速器與分離扇、螺旋扇型設計等相比，不僅能保證高流強、高效率，實現(xiàn)雙束流引出滿足多用戶的需求，而且可以節(jié)省約50%的費用。

項目的設計方案論證需要邀請國際范圍內的專家進行，但如果專門召開論證會至少需要幾十萬元經費。2004年，在日本東京舉行第17屆國際回旋加速器大會前，他們把精心準備的技術報告提前發(fā)送給參會的20多位國際專家，利用會議間歇組織了一次針對項目設計方案的評審會。最終專家組提出了長達18頁的改進意見，被大家按照不同專業(yè)方向整理成需要解決的技術難題，分別進行攻關。

在團隊密切配合下，最終攻克并掌握了強流回旋加速器束流動力學、大型超精密磁工藝技術、大功率高穩(wěn)定度高頻技術、大抽速低溫真空技術等核心技術。100MeV質子回旋加速器的建設用時從批復到出束用了57個月；束流從離子源到100MeV外靶的綜合調試，僅用2個小時就首次出束，后續(xù)實現(xiàn)了穩(wěn)定出束8小時以上的測試。這為國際上大型回旋加速器的研制和調試提供了寶貴的經驗，最終帶動國際上緊湊型回旋加速器由30MeV向中能區(qū)的方向發(fā)展。

刀尖起舞：加工誤差相當于頭發(fā)絲的一半

400多噸主磁鐵的加工不僅一次成功，而且組合加工精度好于0.05毫米——這僅相當于一根頭發(fā)絲的一半

回旋加速器最核心的部件是被工藝評審專家稱為“天下第一大餅”的主磁鐵。這個“大家伙”直徑6.16米、高3.86米、重416噸，體積大、重量大，而且加工必須一次成功，加速器運行使用過程沒有任何調節(jié)線圈，這對磁鐵加工工藝提出了非常高的要求。

這么大的磁鐵，是鍛壓還是鑄造？團隊創(chuàng)造性地提出并驗證了各種可能的非理想場墊補方法、制定了防范各種風險的措施，大膽采用了鑄造方案。然而由于對純鐵的均勻性和致密性要求極高，國內大型設備制造商都不敢接這單業(yè)務。通過團隊自己研究、外聘專家指導、與廠家共同策劃，制定了特殊澆鑄工藝技術要求、磁性能退火、大型鑄件無損探傷等關鍵工藝，最終使中信重工同意啃下這塊“硬骨頭”。

在中信重工兩年多的時間里，負責主磁鐵加工的呂銀龍、物理設計的鐘俊晴、駐廠代表景衛(wèi)、鑄件真空撿漏潘高峰…，先后二十幾個人來到洛陽的加工工廠，輪班工作。最終，400多噸主磁鐵的加工不僅一次成功，而且組合加工精度好于0.05毫米——這僅相當于一根頭發(fā)絲的一半，其難度和精準度不亞于在刀尖上舞蹈。

參與磁鐵安裝的王振輝，是國防科技工業(yè)511技能人才，也是團隊的技能帶頭人。為了完成加速器部件的加工、配裝，他在河南呆了7個多月。大磁鐵由上千噸鋼水澆鑄，上下各有一塊蓋板。磁鐵的核心有八塊磁極，每個磁極上裝有兩個鑲條，每根鑲條長2.16米，重300多公斤。為了實現(xiàn)磁極性能的一致性，測磁需要反復拆裝、修補這16根鑲條。磁鐵的谷區(qū)空間狹小，轉不開身，無法使用吊車等設備。經驗豐富的王振輝，想到通過人力和手工工具的方式解決這個問題，“我們想了一個辦法，用吊鏈吊起鑲條，擱在木板做成的推車上，手拉推車移動鑲條?！痹谥鞔盆F部件安裝的過程中，還要經常吊裝、翻轉磁鐵。純鐵質地很軟，翻轉這么大噸位的純鐵，難度好比“用細繩子提溜豆腐塊來旋轉”，難度可想而知。

主磁鐵加工的難度不僅在工藝，還在于環(huán)境艱苦。在悶熱的夏季，3米多高的磁鐵上下溫度能相差十幾度。磁鐵里面由于不見陽光、鐵吸走大量熱量，皮膚貼著磁鐵像“貼著寒冰一樣”；在磁鐵上面，溫度卻陡然升高，十來分鐘衣服就濕透了。身體難受是小事，還要避免汗水流到磁鐵上導致氧化，得隨時注意拿紗布把滴到磁鐵上的汗擦了。

除了主磁鐵，真空系統(tǒng)、高頻腔的研制也克服重重難題順利完成。這么復雜的真空系統(tǒng)在安裝完數(shù)天之內，就經過撿漏達到了高真空；曾經在10天內反復吊裝4次主磁鐵，劉庚首技師等人調整高頻腔的安裝實現(xiàn)了高品質因數(shù)。過程之中有太多的技術難題、太多的工藝“絕活”，曾任中國原子能科學研究院院長得樊明武院士開玩笑地說，“別人就算把圖紙拿走也做不出來加速器”，語氣里掩飾不住的驕傲。

團隊協(xié)作：比技術創(chuàng)新更重要

2008年的一個夏夜，張?zhí)炀艏贝掖颐爸┯陙淼綍r任院長趙志祥家中。他小心打開手中緊攥的油紙包，將主磁鐵的加工申請報告放在趙志祥桌上。趙志祥瀏覽一遍報告后，只跟張?zhí)炀粽f了一句話，就“唰唰唰”幾筆把名字簽在報告上，這句話張?zhí)炀糁两裼∠笊羁?，“這套專業(yè)理論我沒你懂，但我相信你！一定得做成！”這種信任激勵了張?zhí)炀?，也激勵了這支年輕的隊伍。

十年來已有30多位名校畢業(yè)生加入團隊。大學四年級加入團隊的紀彬，當年就挑起高頻腔研制的重擔，最終做出了品質因數(shù)高達9500的高頻腔；07年清華畢業(yè)的楊建俊，一來就接手了三個項目，包括一個國家自然科學基金項目；08年來到原子能院的李明，已經擔任價值幾千萬的超導回旋加速器的理論研究與設計工作。安世忠、賈先祿、殷治國、葛濤……正是這批年輕的博士和高工，把100MeV回旋加速器“這塊大石頭”推上了山的巔峰。

團隊有一條關于時間分配的“潛規(guī)則”：三七分，每個人都拿出3分精力做自己的事，7分精力幫、帶其他隊員。如此以來，不僅通過群策群力促進了理論、設計、技術等難題的攻關，更大大增強了團隊的凝聚力和向心力。

青年唱主角，老專家來搭臺，是這個團隊的特點之一。李振國是加速器工程副總工程師，也是團隊三位“骨灰級元老”之一。負責機械設計的邢建升說，“張?zhí)炀?、李振國和儲成杰，沒有這3個人就沒有團隊，沒有串列加速器升級工程這個項目”。李振國從清華大學工程物理系大學畢業(yè)后就來到原子能院，40多年來，從束流診斷到高頻系統(tǒng)、到電氣工程，幾乎每個系統(tǒng)的工作都做過。水冷系統(tǒng)在加速器輔助系統(tǒng)中，屬于“一般但重要、技術含量不高”的系統(tǒng)，作為行業(yè)內的權威、工程的副總，75歲的李振國卻愿意負責這個系統(tǒng)的任務。他說，“年輕人需要更重要的崗位多鍛煉，而且工程環(huán)節(jié)無小事嘛”。

強流回旋加速器團隊曾兩次獲得中核集團創(chuàng)新團隊發(fā)展基金，被評為原子能院優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊。在2013年的《科技創(chuàng)新團隊自評報告》中有這樣一句話，“與技術相比，團隊協(xié)作更需要創(chuàng)新”。

2014年7月4日，是團隊期待了十年的日子：100MeV回旋加速器將第一次在公眾注視下調試出束。早上9點一切安排妥當，按原定計劃張?zhí)炀艏磳榈綀黾钨e介紹加速器的研制情況。突然他的手機鈴聲響起，正在實驗室負責調試束流的副總呂銀龍匯報“調不出束流了！”張?zhí)炀翩?zhèn)定回道，“不用著急，逐個環(huán)節(jié)排查，不會有大問題?！敝蟮?5分鐘，張?zhí)炀舻慕榻B流暢而嫻熟，現(xiàn)場的觀眾沒有發(fā)現(xiàn)任何異樣。報告結束后張?zhí)炀裟贸鍪謾C，“調出束了”四個字清晰顯示在手機上。原來是加速器大廳的溫度濕度導致磁場發(fā)生了變化，調整之后一切恢復正常。09：30，加速器開始調試，09：46，束流順利引出，直中靶心，試驗順利成功。

此時張?zhí)炀羲闪艘豢跉猓χ鴮τ浾哒f，“這么多年的合作我們團隊有了足夠的默契，我相信他們，也相信一切問題都能夠解決”。

有著如此精干的隊伍，張?zhí)炀魧ξ磥淼陌l(fā)展非常有信心，“2014年我國癌癥死亡率和新增病例創(chuàng)了兩個世界第一，我們現(xiàn)在啟動的230MeV超導回旋加速器項目一旦建成，能適用于醫(yī)院的癌癥質子治療小型裝置，對大眾健康是一個巨大的福音?！?/p>