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中科院近代物理所面向国家重大需求实践录

日期:2017-08-26 10:52:33编辑作者:太阳城申博
从“1.5米经典回旋加速器”到“分离扇重离子回旋加速器”,再到“兰州重离子加速器冷却储存环”,从1957年到2017年,60年,中国科学院近代物理研究所经历了三个国家五年计划、三代人,建成了亚洲能量最高的重离子加速器。
 
未来,依托强流重离子加速器将使我国重离子科学研究从“紧跟”走向“并行”,并逐步实现“引领”,形成在国际上具有重大影响的重离子科学研究中心。
 
“储存环精神”造就亚洲第一
 
与其他电子类大科学装置不同,兰州重离子加速器(CSR)一旦开机运行,几乎需要近60人的庞大团队全员上阵。作为兰州重离子加速器总工程师,夏佳文院士常告诫并要求一起奋斗的同事,“ CSR是我们的孩子,只有精心呵护,悉心培养才能长大。”
 
从1992年,所长基金支持重离子加速器冷却储存环研究,到如今成为亚洲能量最高、规模最大的重离子研究装置,CSR科研人员已形成“储存环精神”——认真负责、团结协作、敢于创新、勇于奉献。
 
加速器总体室主任杨建成研究员至今仍清楚记得12年前那个寒冷的冬天。加速器建成调试,连续一两个月奋战,经常工作到凌晨四五点回家,早上八点半又要到中央控制室,盒饭、军大衣是那时的标配。
 
“调试初期,很多条件还没就位,工作困难很大。”杨建成回忆,有一次,调控方案一直不能确定,调试磁铁电源的工作人员靠搓手、跺脚取暖,在寒冬里等了一个晚上。
 
经过两年的调试,兰州重离子加速器实现了全离子加速。
 
“做科研的人,总有点儿死脑筋,认为自己的思路是对的。”杨建成说,大科学装置不是标准产品,很多问题都不可预见。因此,中控室是争论最多的地方,大家会为了一个参数争得面红耳赤,也由此更好地整理自己和别人的思路。中央控制室悬挂着一张边角发黄、背面横七竖八粘满胶带的加速器总体结构图。这张被翻阅过无数次的图纸,见证了杨建成回忆中的每一次争执与坚持。
 
目前,加速器每年运行7000小时,其中5000小时为用户提供束流。加速器为质量测量、新核素合成、放射性束物理、辐照材料、辐射生物和单粒子效应检测等科学研究提供了高品质的束流。
 
加速器驱动嬗变研究装置
 
“敢为天下先”
 
2010年,为解决核安全、核废料安全处理处置问题,中国科学院启动了战略性先导科技专项“未来先进核裂变能——ADS嬗变系统”,近代物理研究所作为牵头单位接受了这项艰巨任务。回忆刚接受任务的状况,该项目首席科学家、近代物理研究所副所长徐瑚珊说:“我们充分做好了艰苦奋斗准备,ADS是值得奋斗一生的科研事业。”
 
加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)主要由强流超导直线加速器、高功率散裂靶、次临界反应堆构成。国际上有一些单项技术的研究,但没有实际运行的系统样机。“无中生有、敢为天下先”——面对困难,徐瑚珊这样鼓励团队中年轻的科研人员。多少个令人“绝望”的反复失败和不断坚持后,团队迎来了“第一次”成功——强流超导直线加速器垂测到超导数据。过了这道坎儿,团队每向前走一步,都是创造新的世界纪录。超导直线加速器注入器II的技术负责人何源研究员笑称,6月6日是团队的“幸运日”:2015年6月6日,超导直线加速器首次输出能量5兆电子伏。2016年10月31日,超导直线加速器输出能量10兆电子伏。2017年6月6日,超导直线加速器输出能量25兆电子伏,完成设计目标,使我国强流超导直线加速器技术进入国际领先行列。
 
散裂靶是构成ADS系统的核心组成之一,现有的散裂靶型难以满足未来ADS商业化的功率要求。“我们小时候都玩过沙漏,沙子可以计时,证明流动很稳定。我们试试这个思路?”2012年,中国科学院副院长詹文龙向杨磊研究员提出思路,试图从沙漏入手,使散裂靶兼具固体靶和液体靶的优点,而避免缺点。2013年,ADS研究团队原创性地提出了颗粒流散裂靶。2017年7月,国际首台颗粒流散裂靶原理样机建成,现场测试的各项指标达到设计要求,是国际高功率散裂靶研究领域的一个重要里程碑。
 
徐瑚珊表示,CiADS选址广东惠州,预计2023年建成,国家投资18亿元,配套设施和通平由地方负责,将成为国际首台质子超导直线加速器、高功率散裂靶和次临界装置的系统集成研究装置。
 
强流重离子加速器
 
“引领”重离子科学研究
 
为了探索原子核存在极限和奇特结构、宇宙中从铁到铀元素的来源、高能量密度物质性质等重大前沿科学问题,解决我国空间探索和核能开发领域中与粒子辐射相关的关键技术难题,2008年,中科院近代物理研究所提出,建造国家重大科技基础设施——“强流重离子加速器装置”(HIAF),选址广东省惠州市,国家投资15亿元,配套设施和通平由地方负责,预计2024年建成。
 
所长助理周小红研究员介绍,高流强、高能量、高束团功率是重离子加速器的发展趋势,束流指标愈先进就愈有可能引领相关科学研究并取得重大成果。HIAF建成后,提供束流强度是现有装置的一千到一万倍,能量提高10倍。与国际同类装置比较,将提供最强的中低能脉冲重离子束流,产生最高功率的短脉冲、强聚焦、高能量重离子束团,开展高精度储存环物理实验。因此,HIAF在产生远离稳定线原子核、精确测量短寿命原子核质量、重离子驱动产生高能量密度物质方面极具优势。
 
“我们是站在前辈的肩膀上做科研。”杨建成对记者说。通过“1.5米经典回旋加速器”“分离扇重离子回旋加速器”和“兰州重离子加速器冷却储存环”三代国家大科学工程的建设和运行,近代物理研究所掌握了具有自主知识产权的离子加速器核心技术,积累了丰富的大科学装置建造、运行和管理经验,形成了素质优良、年龄结构合理、专业种类齐全、勇于创新、团结协作的高水平加速器工程建设和相关科学研究队伍,具备承建大型离子加速器装置的能力。依托HIAF,将使我国重离子科学研究从“紧跟”走向“并行”,并逐步实现“引领”,形成在国际上具有重大影响的重离子科学研究中心。

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