每秒6亿亿个质子！“稳了”
2021/2/27 7:00:00 科学大院
大年三十，就在家家户户都忙着拍全家福时，中国科学院近代物理研究所(以下简称近物所)超导直线加速器团队成员也聚在一起，面向镜头竖起象征着胜利的大拇指。
他们身后的红色电子屏上写着：“2021年2月11日5：16，ADS超导直线加速器样机(CAFE)成功加速10.3mA连续波质子束，超过设计指标!”
为了这一刻，他们拼了十年。
超导直线加速器团队成员面向镜头竖起象征着胜利的大拇指(图片来源：项目团队供图)
从0到5再到10
合影人员，很多都参加了十年前中国科学院启动实施的一项战略性先导科技专项(A类)——“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”(ADS先导专项)。
ADS又名“加速器驱动次临界洁净核能系统”，顾名思义，在这个系统里，超导直线加速器扮演着“开关”的角色。
从接到研发强流高功率质子超导直线加速器这一重大任务开始，这支科研团队埋头攻关、自主创新，2017年ADS专项验收时，他们不仅在国内首次研制出了超导直线加速器，还让加速器成功打出了连续波流强为0.15毫安的质子束。
然而，0.15毫安并不能让近物所的科研人员满足。
“强流高功率质子束是核科学和核技术的前沿，也是发达国家争先抢占的战略高地。强流超导直线加速器未来的应用场景是多方面的，是核废料嬗变处理、医用放射性同位素量产、高通量中子源等国家重大战略需求的核心技术。”
ADS先导专项首席科学家、近物所所长徐瑚珊告诉《中国科学报》，满足这些国家重大战略需求的前提，是让加速器稳定地打出足够多的质子，实现更高流强的稳定运行。
于是，近物所自筹经费，依托ADS专项的原型样机，继续研究下去。
此后，近物所ADS团队的科研人员一次次挑战极限，把加速器的加速束流功率和连续运行供束时间一点点提高。
2019年1月，他们实现了2毫安流强、30千瓦功率的连续波质子束，并实现了大于100小时的长时间稳定运行。
他们又用了2年对加速器进行重大改进，今年1月25日，连续波质子束的最大束流强度达到5.6毫安，最大束流功率达到110.9千瓦，这又一次刷新了世界纪录。
“达到5毫安后，我们对加速器各方面的状态进行了评估，认为具备将流强提升到10毫安的可行性。”超导直线加速器项目负责人、近物所研究员何源告诉《中国科学报》。
于是，这支团队立刻进入新一轮紧张工作中。束流开始调试之后，就不能停，终于在2月11日清晨，质子束流强提升到了10毫安，2月12日凌晨2时20分，实现了束流的稳定运行。
这些在国际上都属首次。
提高流强为什么难
之所以要合影，是因为这一刻来得不容易。
谈到这项成果的背景时，何源说：“实现10毫安连续波、强流、高功率质子束稳定加速，是国际上20多年来长期追求的目标，无论在物理上还是技术上，都存在前所未有的巨大挑战。就连通过全超导直线加速器加速5毫安以上连续波质子束的情况，都从未在国际上被验证或实现过。”
那么，科学家究竟是被什么难住了？这要从加速器的加速原理说起。
速器要加速粒子，需要让粒子集成一束，穿过一个个加速腔。每个加速腔就像一个个足球运动员，依次在传球时狠狠踢上一脚，让球以更快的速度传给下一个球员。
而困住全球科学家的难题就出在传球过程中。
提高流强，意味着加速器每秒要把更多带着正电荷、相互排斥的质子捆成一束，并让束流实现加速。
10毫安，则意味着束流中，每秒大约有6亿亿个质子。
束流里的质子多了，控制难度也相应增加。
“在约束质子的时候，某些粒子会出现不可预知的行为，比方说，有的质子会从队伍里跑出去，撞到加速腔壁管上，而每一个损失掉的质子都带着很高的能量，损失得多了，就会对加速器造成伤害，甚至可能把加速器壁管烧出个洞。”何源说。
束流里的质子多了，也意味着“球”更重了。
“以前踢的是皮球，现在踢的是铅球。铅球过来之后，运动员要用更大的力量去踢球，万一踢不着球，腿可能就会闪着，甚至会折了。”何源打比方说。
在束流还没有到达的时候，加速腔只有几瓦的电量损耗，而当束流到达时，加速腔送出的能量会在瞬间提高到几千瓦。
要让加速器成功运行，就要让接力更精准，加速腔之间的时间误差不能超过百万分之一秒。
从0.15毫安到5毫安再到10毫安，近物所ADS团队并非一帆风顺。
“我们曾经无数次遇到在当时看来无法克服的困难，也经历无数次的失败。比如我们多次把加速器打出洞，但经验就是在一次次的失败中积累起来的。”
何源说，“在我们的团队，大家群策群力想办法，各抒己见，年轻人提出的想法和建议，我都会给予验证的机会，鼓励大家去思考、去创新、去实践。”
在过去的十年里，何源还带领团队实现了一个核心技术——让加速器在发生束流丢失或硬件故障时，能够在没人干预的情况下实现“可靠切断”并以最快速度“自主恢复”束流。
而这个核心科技也为他们的成功打下了基础。
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