十年磨一剑——记强流回旋加速器创新团队

□ 本刊记者　王舒颖

十年磨一剑
——记强流回旋加速器创新团队

□ 本刊记者王舒颖

【编者按】2015年初，“能量最高质子回旋加速器首次出束”先后入选2014年度国防科技工业十大新闻和2014年中国十大科技进展新闻。

回望1958年秋，中国第一座回旋加速器与第一座重水反应堆的建成，推动中国跨进了原子能时代，并在“一堆一器”的基础上发展出了中国的核科技体系；2014年夏，“100MeV回旋加速器”这个名字，由于“可用于生产癌症诊断与治癌药物、可望为质子治癌技术研究等前沿领域带来新突破”成功走进普通民众的视野。坐落于北京西南郊的北京串列加速器核物理国家实验室，在这夏秋之隔的半个世纪，先后发展了以回旋加速器为主的五类中低能强流加速器，为国防安全、基础研究及国民经济发展做出了重要贡献。

100MeV回旋加速器的总设计师张天爵，喜欢把自己的团队比作一支“登山队”：有共同的目标、专业的素养以及严格的标准。

2014年6月29日，张天爵再次坐在电脑前打开邮箱。从6月25日加速器一次实现调试出束以来，来自近20个国际回旋加速器实验室专家的祝贺邮件“蜂拥而至”。当打开南非iThemba国家实验室加速器部主任Lowry Conradie博士的邮件时，张天爵感受了到比加速器研制成功更大的欣喜。这位回旋加速器领域的专家在邮件中写道，“你们的成功清楚地展示了你们拥有一支世界级的团队”。

“培养一支团队，比建造一台加速器更难”，张天爵感慨道。加速器的建设周期仅57个月，而团队从最初5人发展到现在的70来人，花了整整14年的时间。

多年来，张天爵遇到过不少被高薪挖走的机会，而他拒绝的理由总是一个，“没有这支队伍我什么也做不了，与其把我挖走不如把你们的项目交给我们团队来做”。

一步迈到世界最前沿：将强流质子加速至1/2光速

“100兆电子伏质子回旋加速器将质子加速1600多次后接近一半光速，可以产生强大的能量，能支撑国防科技、核物理、生命科学、材料科学、放射医学等多学科领域取得突破性进展”，张天爵介绍。回旋加速器是目前世界上进行核物理研究的重要装置，它利用带电粒子在磁场中行进时会发生偏转的原理，让质子这样的带电粒子在加速器里进行回旋运动，通过电场作用这些粒子会被不断加速，最终像子弹一样轰击到靶标上产生核变。

100MeV回旋加速器是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器。“高能量”“高流强”“紧凑型”“直边扇形磁铁”，这几个关键词组合在一起决定了项目的理论设计、工程设计和制造，都会面临着多个尚未解决的难题。张天爵说，“我们团队的目标就是要一步迈到国际最前沿”。

质子回旋加速器是一个复杂的系统工程，需要精通加速器物理、磁铁、高频、真空、机械、电气、低温等10多个专业，一支配合默契、专业精深的队伍是项目成功的关键。

2001年初，原子能院回旋加速器实验室仅有5个人、研究经费7万元。当时需在综合试验台架上做一套测束流强度和束流截面仪器需要十多万经费，工程副总设计师李振国提出采用电位器代替精密定位和数据快速转换系统，用一个特殊结构的法拉第筒既测流强又测截面，几千块就解决了问题。就是这样，在十分艰苦的条件下，团队完成了强流回旋加速器综合试验台架和1：1的射频腔两个试验项目，为设计、建造100MeV回旋加速器积累了必要的工程经验。

当时国际上建成的紧凑型回旋加速器能量最高仅为30MeV，将紧凑结构的回旋加速器从30MeV提高到100MeV受到很多专家的质疑。团队经过反复论证，认为紧凑型直边扇回旋加速器与分离扇、螺旋扇型设计等相比，不仅能保证高流强、高效率，实现双束流引出满足多用户的需求，而且可以节省约50%的费用。

项目的设计方案论证需要邀请国际范围内的专家进行，但如果专门召开论证会至少需要几十万元经费。2004年，在日本东京举行第17届国际回旋加速器大会前，他们把精心准备的技术报告提前发送给参会的20多位国际专家，利用会议间歇组织了一次针对项目设计方案的评审会。最终专家组提出了长达18页的改进意见，被大家按照不同专业方向整理成需要解决的技术难题，分别进行攻关。

在团队密切配合下，最终攻克并掌握了强流回旋加速器束流动力学、大型超精密磁工艺技术、大功率高稳定度高频技术、大抽速低温真空技术等核心技术。100MeV质子回旋加速器的建设用时从批复到出束用了57个月；束流从离子源到100MeV外靶的综合调试，仅用2个小时就首次出束，后续实现了稳定出束8小时以上的测试。这为国际上大型回旋加速器的研制和调试提供了宝贵的经验，最终带动国际上紧凑型回旋加速器由30MeV向中能区的方向发展。

刀尖起舞：加工误差相当于头发丝的一半

400多吨主磁铁的加工不仅一次成功，而且组合加工精度好于0.05毫米——这仅相当于一根头发丝的一半

回旋加速器最核心的部件是被工艺评审专家称为“天下第一大饼”的主磁铁。这个“大家伙”直径6.16米、高3.86米、重416吨，体积大、重量大，而且加工必须一次成功，加速器运行使用过程没有任何调节线圈，这对磁铁加工工艺提出了非常高的要求。

这么大的磁铁，是锻压还是铸造？团队创造性地提出并验证了各种可能的非理想场垫补方法、制定了防范各种风险的措施，大胆采用了铸造方案。然而由于对纯铁的均匀性和致密性要求极高，国内大型设备制造商都不敢接这单业务。通过团队自己研究、外聘专家指导、与厂家共同策划，制定了特殊浇铸工艺技术要求、磁性能退火、大型铸件无损探伤等关键工艺，最终使中信重工同意啃下这块“硬骨头”。

在中信重工两年多的时间里，负责主磁铁加工的吕银龙、物理设计的钟俊晴、驻厂代表景卫、铸件真空捡漏潘高峰…，先后二十几个人来到洛阳的加工工厂，轮班工作。最终，400多吨主磁铁的加工不仅一次成功，而且组合加工精度好于0.05毫米——这仅相当于一根头发丝的一半，其难度和精准度不亚于在刀尖上舞蹈。

参与磁铁安装的王振辉，是国防科技工业511技能人才，也是团队的技能带头人。为了完成加速器部件的加工、配装，他在河南呆了7个多月。大磁铁由上千吨钢水浇铸，上下各有一块盖板。磁铁的核心有八块磁极，每个磁极上装有两个镶条，每根镶条长2.16米，重300多公斤。为了实现磁极性能的一致性，测磁需要反复拆装、修补这16根镶条。磁铁的谷区空间狭小，转不开身，无法使用吊车等设备。经验丰富的王振辉，想到通过人力和手工工具的方式解决这个问题，“我们想了一个办法，用吊链吊起镶条，搁在木板做成的推车上，手拉推车移动镶条。”在主磁铁部件安装的过程中，还要经常吊装、翻转磁铁。纯铁质地很软，翻转这么大吨位的纯铁，难度好比“用细绳子提溜豆腐块来旋转”，难度可想而知。

主磁铁加工的难度不仅在工艺，还在于环境艰苦。在闷热的夏季，3米多高的磁铁上下温度能相差十几度。磁铁里面由于不见阳光、铁吸走大量热量，皮肤贴着磁铁像“贴着寒冰一样”；在磁铁上面，温度却陡然升高，十来分钟衣服就湿透了。身体难受是小事，还要避免汗水流到磁铁上导致氧化，得随时注意拿纱布把滴到磁铁上的汗擦了。

除了主磁铁，真空系统、高频腔的研制也克服重重难题顺利完成。这么复杂的真空系统在安装完数天之内，就经过捡漏达到了高真空；曾经在10天内反复吊装4次主磁铁，刘庚首技师等人调整高频腔的安装实现了高品质因数。过程之中有太多的技术难题、太多的工艺“绝活”，曾任中国原子能科学研究院院长得樊明武院士开玩笑地说，“别人就算把图纸拿走也做不出来加速器”，语气里掩饰不住的骄傲。

团队协作：比技术创新更重要

2008年的一个夏夜，张天爵急匆匆冒着暴雨来到时任院长赵志祥家中。他小心打开手中紧攥的油纸包，将主磁铁的加工申请报告放在赵志祥桌上。赵志祥浏览一遍报告后，只跟张天爵说了一句话，就“唰唰唰”几笔把名字签在报告上，这句话张天爵至今印象深刻，“这套专业理论我没你懂，但我相信你！一定得做成！”这种信任激励了张天爵，也激励了这支年轻的队伍。

十年来已有30多位名校毕业生加入团队。大学四年级加入团队的纪彬，当年就挑起高频腔研制的重担，最终做出了品质因数高达9500的高频腔；07年清华毕业的杨建俊，一来就接手了三个项目，包括一个国家自然科学基金项目；08年来到原子能院的李明，已经担任价值几千万的超导回旋加速器的理论研究与设计工作。安世忠、贾先禄、殷治国、葛涛……正是这批年轻的博士和高工，把100MeV回旋加速器“这块大石头”推上了山的巅峰。

团队有一条关于时间分配的“潜规则”：三七分，每个人都拿出3分精力做自己的事，7分精力帮、带其他队员。如此以来，不仅通过群策群力促进了理论、设计、技术等难题的攻关，更大大增强了团队的凝聚力和向心力。

青年唱主角，老专家来搭台，是这个团队的特点之一。李振国是加速器工程副总工程师，也是团队三位“骨灰级元老”之一。负责机械设计的邢建升说，“张天爵、李振国和储成杰，没有这3个人就没有团队，没有串列加速器升级工程这个项目”。李振国从清华大学工程物理系大学毕业后就来到原子能院，40多年来，从束流诊断到高频系统、到电气工程，几乎每个系统的工作都做过。水冷系统在加速器辅助系统中，属于“一般但重要、技术含量不高”的系统，作为行业内的权威、工程的副总，75岁的李振国却愿意负责这个系统的任务。他说，“年轻人需要更重要的岗位多锻炼，而且工程环节无小事嘛”。

强流回旋加速器团队曾两次获得中核集团创新团队发展基金，被评为原子能院优秀科技创新团队。在2013年的《科技创新团队自评报告》中有这样一句话，“与技术相比，团队协作更需要创新”。

2014年7月4日，是团队期待了十年的日子：100MeV回旋加速器将第一次在公众注视下调试出束。早上9点一切安排妥当，按原定计划张天爵即将为到场嘉宾介绍加速器的研制情况。突然他的手机铃声响起，正在实验室负责调试束流的副总吕银龙汇报“调不出束流了！”张天爵镇定回道，“不用着急，逐个环节排查，不会有大问题。”之后的25分钟，张天爵的介绍流畅而娴熟，现场的观众没有发现任何异样。报告结束后张天爵拿出手机，“调出束了”四个字清晰显示在手机上。原来是加速器大厅的温度湿度导致磁场发生了变化，调整之后一切恢复正常。09：30，加速器开始调试，09：46，束流顺利引出，直中靶心，试验顺利成功。

此时张天爵松了一口气，笑着对记者说，“这么多年的合作我们团队有了足够的默契，我相信他们，也相信一切问题都能够解决”。

有着如此精干的队伍，张天爵对未来的发展非常有信心，“2014年我国癌症死亡率和新增病例创了两个世界第一，我们现在启动的230MeV超导回旋加速器项目一旦建成，能适用于医院的癌症质子治疗小型装置，对大众健康是一个巨大的福音。”