我国能量最高质子回旋加速器实现一器多用

核公司中国原子能研究所(以下简称原子能所)直径6.16米，重435吨，外界眼中的简单大“疙瘩”，是目前世界上最大的紧凑型高能质子回旋加速器，也是我国自主开发的最高能量质子回旋加速器。

2003年7月，经原国防科学技术工业委员会批准，重大科学项目——HI-13串列加速器升级项目获得批准。总的来说，现有的hi-13串列加速器是“穿上靴子，戴上帽子”，也就是说，在前端新建了一个100兆电子伏的高强度质子回旋加速器和一个质量分辨率为20，000的在线同位素分离器。后端新建一个重离子超导直线增能器，实现更强的功能。

“从事大规模的科学工程建设是极其危险的。有可能把一生都献给它而一无所获。”HI-13串列加速器升级项目总经理兼总工程师张天觉对该项目于去年底通过成果鉴定感到欣慰，形成了一个多用途、多设备、多领域、多学科的科研平台。

这个“大胆”的计划需要“鱼”和“熊掌”

诺贝尔物理学奖获得者制造的世界上第一个回旋加速器直径只有10厘米，但它为世界了解微观粒子的奥秘打开了大门。

与其他加速器不同，运行在质子回旋加速器“体育场”的“运动员”是构成原子核的微小粒子——质子。它们可以在电场的驱动下沿着跑道加速。由此产生的高速粒子可能会给科学家带来意想不到的惊喜。

从美国进口的HI-13串列加速器于1987年正式投入使用。为了适应国内外科技发展形势，经过近十年的等待，HI-13串列加速器升级项目于2011年4月启动。目标是填补中国中能高能质子回旋加速器、高分辨率同位素分离器和超导重离子直线加速器的空白。

100兆电子伏强流回旋加速器是整个工程中最关键的大型主要设备，也是工程建设中最大的技术难点之一。

由于缺乏资金，张天觉无力支付外国公司的高额合作设计费，放弃了国外舒适的环境，开始了自己设计和建造加速器的任务。

张天觉还记得，100兆电子伏质子回旋加速器的设计一经提出，就被怀疑者形容为“胆大妄为”。

“这是一个技术难度很高的设计方案。必须解决前人没有很好解决的两大矛盾——密实性和高流动性的矛盾，以及高功率和高稳定性的矛盾。可以说，“鱼”和“熊掌”必须兼得。张天觉解释道。

当方案设计在2001年开始时，世界上紧凑型回旋加速器的最大能量是300兆电子伏，并且必须跨越到100兆电子伏。在那个时候，困难的技术是可以想象的。

为了实现“紧凑、高强度流动”的理念，该方案突破了以往的国际设计思路，首次在AVF(交变梯度聚焦)回旋加速器中采用了能量高于70MeV的直边风扇，降低了主磁体、高频腔、径向靶等主要设备的工程难度。

“如果你没有勇气大胆想象，尖端技术的研发就没有成功的机会。”张天觉感慨地说，几年后，加拿大、美国、韩国、南非等国设计建造了紧凑型中能回旋加速器，间接地证明了这一想法的可行性和前瞻性。

“世界上最大的馅饼”带来了多重挑战。

在完成物理设计和初步工艺方案后，凭借20多位国际知名专家的智慧，100兆电子回旋加速器的创新设计和实验验证结果得到了国际同行的广泛认可。

然而，物理设计的成功只是第一步，关键是能够建造它。

100兆电子伏回旋加速器的主磁体被纯铁铸造行业和回旋加速器行业的专家称为“世界上最大的蛋糕”。

这个“世界第一”给研发团队增加了许多困难。根据设计要求，主磁体不仅重量超过400吨，而且关键加工和装配精度要求为0.05毫米。

从2005年到2006年，技术人员去了全国所有主要的重型机械工厂，得到了所有的答案“太大，太难做”。

"对纯铁的均匀性和致密性的要求太高."张天觉告诉记者，在与合作伙伴洛阳中信重型机械厂合作期间，研发人员到现场参与并领导项目的工艺计划，利用当时有限的工业条件，分五批加工技术要求超高的大型设备。"几年后，每个人不再只是加速器物理学家，而是真正的工程师."

仍然有许多这样的困难。

100兆电子伏高强度质子回旋加速器的大磁极和真空盖板之间没有抽真空通道，磁气隙小，测量困难。然而，加速器真空室和真空管道有数百个孔和密封面。为了达到“几乎没有空气”的要求标准，“面向空气”的战争持续了一年。

可用于医疗等领域

虽然听起来很学术，但加速器离人们的生活并不远。主要应用之一是医学领域。

张天觉说，现在许多大中型医院都将配备紧凑型医用回旋加速器，其中之一就是生产用于诊断癌症和心脑血管疾病的同位素药物。加速器越强，产生的同位素种类就越多。

除了生产常用的医用放射性同位素外，100兆电子伏回旋加速器还能生产锶-82和碘-123，它们是非常重要的放射性核素。

张天觉告诉记者，虽然100兆电子伏回旋加速器体积很小，但它的束流功率是世界上同类设备中最高的，束流强度范围也是最大的。我国首次实现了大型质子加速器的双向束流提取，可以同时为两个用户提供束流，从而使用户的束流时间增加了一倍。

根据设计，工程竣工后每年可开工3000多小时。它将用于核物理基础和应用研究，如空间电离辐射环境中的单粒子效应、空间质子探测器的校准、放射性核束衰变和反应研究、核数据测量等。