中国完成世界最先进加速器：美国人不一定想得到2015年12月30日 08:29
来源：中国科学报 作者：姜洋 
神龙二号装置全景
2015年1月22日，神龙二号装置国家级科技成果鉴定会现场。窗外，春寒料峭；场内，热情涌动。 经过包括14位院士在内的鉴定委员会的鉴定：中国工程物理研究院流体物理研究所“成功研制了世界上首台兆赫兹重复率猝发强流多脉冲直线感应加速器”。“该项目系统复杂，研制难度很大，有重大创新，总体技术处于国际先进水平，部分重要指标国际领先。神龙二号研制成功是直线感应加速器和我国尖端武器闪光照相技术发展中的一个重要里程碑！” 中国工程物理研究院（以下简称中物院）流体物理研究所是从事国防尖端武器研制的科研单位，科研人员历经十余载坎坷征程，终于研制出世界最先进的多脉冲强流加速器——神龙二号。 世界惊叹“中国龙”，创新助力强国梦。神龙二号的成功，受到国际国内同行的高度评价： 神龙二号是世界第一台兆赫兹重复率猝发多脉冲高功率感应加速器！ 神龙二号从设计思想到技术突破完全是独创的！ 神龙二号多脉冲感应加速器技术的突破被国际同行专家评价为：“确实代表感应加速器领域重大新成就”！ 神龙二号是直线感应加速器和我国尖端武器闪光照相技术发展中的一个重要里程碑！ “火眼金睛” 在内爆流体动力学实验过程中，仅仅百万分之几秒的时间内发生快速和巨大的物理化学反应，爆炸区域的物质温度达到几十万摄氏度、压力骤然升高至百万大气压以上，所形成的高压冲击波以每秒几公里至十几公里的速度传播，实验材料的形状、密度等产生极为复杂且剧烈的变化。 作为揭示内爆过程的“火眼金睛”，直线感应加速器闪光X射线照相设施在认识武器内爆物理规律和校验武器设计过程中占据了极为关键的地位。它的工作原理类似于医院的人体X光透视照相，只不过这里照相的对象不是静止而柔软的人体，而是利用加速器产生的高强度脉冲X光，穿透厚度相当于数十厘米钢的致密材料，对其内部以大于10马赫超高速运动的材料内亚毫米细节及其变化进行高精度的瞬态透视照相。 在精密的实验室流体动力学实验能力建设中，必须通过内爆闪光X光照相认识武器内爆规律，获取可靠有效、精度足够高的实验数据，以此来检验武器的理论设计模型、修正数值模拟的模型，再进一步开展实验。这一过程经过反复迭代，才能够达到有效提升武器的设计水平和综合性能的目的。 为更进一步精密可靠地研究武器规律、校验武器设计，就要求闪光X射线照相设施对武器高速内爆过程不仅“能拍”，还必须实现“超高速连拍”。如同对着奔跑的运动员，若只拍一张照片，获得的只是其某一时刻的静止状态；如连拍数十张，则能完整反映出运动员的肢体运动状态；而且运动速度越高，要拍摄出清晰照片，就要求相机的快门速度越快、曝光量越大。相比人类的运动过程，内爆流体动力学过程的速度和复杂程度何止高出千倍，实现对其动态捕捉，就要求直线感应加速器闪光X射线照相设施产生的X光必须足够强，才能穿透厚度相当于数十厘米钢的致密材料；而且X光脉冲必须非常短，即曝光时间约亿分之一秒，以减小运动模糊；而且要在百万分之一秒内实现多幅照相即连拍；同时要求X光焦斑尺寸足够小，才能够得到清晰照片，对于被拍物体内以每秒几公里到十几公里高速运动的内爆过程，所得的X光图像界面需达到亚毫米的精度；X光脉冲的产生还需具有极高的定时精度，在动态过程中任一特定时刻照相，实际拍摄时间与设定时间的误差不超过亿分之一秒！ 这堪称是世界上最强大的X光照相机！各核大国数十年来均致力于追求拥有这一闪光照相能力。 
邓建军（左）、石金水（右）、李劲（中）讨论技术问题。 使命使然 早自上世纪70年代起，中物院各级领导和流体物理研究所直线感应加速器研究团队几代人，就一直向着这座世界巅峰艰难而执着地攀登。 由于直线感应加速器研究团队从事的是国家战略武器相关的研究，这方面的技术国外对我国是严密封锁的，只能依靠自力更生，自主创新！从关键单元技术攻关、关键材料和器件研制开始，他们筚路蓝缕、无私奉献，攻克了众多关键科学、技术和工程问题。在这一级级台阶上，他们倾洒无数汗水与心血，踏下了深深的辉煌足印。 从上世纪70年代末期至1993年，他们从零开始，成功研制出我国第一台用于武器缩比装置闪光照相的10MeV直线感应加速器，达到当时国际先进水平，获国家科技进步奖一等奖，实现了我国直线感应加速器闪光照相实验能力从无到有的跨越。之后通过升级到12MeV，使我国拥有较为先进的闪光照相能力并成功用于武器闪光照相实验，为某新型武器关键过程的设计判断提供了重要实验图像和信息。1996年，两弹元勋王淦昌院士视察10MeV直线感应加速器实验室时欣慰不已，并亲笔题词：“继续努力，必须超过美国！” 2003年，我国第一台武器内爆全尺寸装置精密闪光X光照相实验设施神龙一号研制成功！荣获了2005年度国家科技进步奖一等奖。这使我国闪光照相能力跃上一个新台阶，首次实现武器全尺寸装置精密闪光照相；在成功进行的大型闪光照相实验研究中，获得了清晰的图像和精确数据，为我国武器综合性能的提高和新型武器的研制发挥了重要作用。 成功永远都是追求者的垫脚石。神龙一号研制成功后，为满足我国国防研究的需要，直线感应加速器研究团队又踏上了迈向更高目标的征程。他们开展了更进一步的细致分析：由于此前的直线感应加速器只能产生单个脉冲，每一次武器闪光X光照相实验，只能获得实验产品内爆过程在指定某一时刻的图像。想了解产品在整个内爆过程中的情况，就只有加工多发完全一模一样的产品并进行多次实验。采用这种方式所获得的多个时刻的图像信息进行数值模拟校验，其前提是理想化地认为每一发产品本身和实验过程均完全相同，多幅图像之间才具有对比性。但实际上产品在生产加工、工艺处理和装配等过程中不可避免地存在差异，此外实验时的复杂环境和实验过程，使武器在内爆压缩过程中亦产生不对称性现象。失之毫厘，谬以千里，小小误差都会极大影响实验数据的有效性和对内爆规律的分析掌握，甚至影响武器设计成败及威力。 为了从根源上解决这一问题，就必须研制出高精度多幅闪光X光照相设施，实现对同一内爆流体动力学过程的动态精密诊断。瞄准这一目标，直线感应加速器研究团队发起了新的冲锋——研制多脉冲加速器神龙二号！ 创新超越 本世纪初，国家设专项研制神龙二号，其目的是用以产生3个间隔数千万分之一秒的X光脉冲，每个脉冲指标等同神龙一号，这就要求直线感应加速器以百万赫兹重复率输出多个强流束脉冲并聚焦到同一点打靶。 当时世界上还没有成功的先例——从未有任何设备获得过指标为几百万赫兹、数十亿瓦量级的高压多脉冲，因为决定脉冲产生的关键部件是高功率开关，而目前世界上还没有能同时工作在几百万赫兹、数十亿瓦量级功率的高功率开关。这对直线感应加速器研究团队提出了前所未有的挑战，研制难度极大，堪称高峰仰止。 如何实现多幅闪光照相？核大国数十年来一直为之殚精竭虑。由于无法解决几百万赫兹、数十亿瓦量级的高压多脉冲产生难题，英国计划用数台单脉冲加速器从不同的角度实现多幅照相。这样的路线技术风险低，但所获得的多幅闪光照相数据不是同轴的，无法满足武器研制需要。上世纪90年代，美国正在研制的DARHT-II装置则用加速一个2微秒的长脉冲来规避多脉冲产生难题，因为这样加速器的开关只需工作在单脉冲状态，这实际上是一台单脉冲加速器。其设计思想是先产生和加速长脉宽的单脉冲，在打靶前通过将90%的电子束偏转掉，剩下四个约50纳秒短脉冲分别打靶，实现多幅照相。其缺点是效费比低、造价高；同时，这几束短脉冲的时间间隔完全受限于单脉冲的总脉宽，间隔几乎不可调整。 在进行总体技术路线论证时，经过综合考虑，项目负责人邓建军独创性地提出了基于单脉冲开关产生高功率多脉冲以及感应加速腔磁芯“多次励磁、一次复位”的设计思想，产生三个脉冲间隔独立可调的短脉冲分别聚焦打靶，在不同时刻产生高能量的X光进行同轴多幅闪光照相。该方案能够圆满解决同轴多幅和脉冲间隔可调的精密闪光照相难题，得到时任中物院副院长丁伯南院士的大力支持。 与美国DARHT-II相比，我国神龙二号设计方案突出的优越性在于：三个短脉冲是完全独立产生的，脉冲间隔独立可调，实验中可以根据具体的武器物理需求，获得不同时刻的内爆实验物理图像；同时，其束流利用效率高，几乎达到100%，造价只是DARHT-II的约五分之一。 曾有某些专家质疑：“美国都没采用这种方法，说明它可能不行。”对此，邓建军自信地回答：“美国人想不到，不代表我们也想不到；我们想到的，美国人不一定想得到！” 这一巧妙大胆、卓越先进的创新设计思想，是中国人智慧火花的灵光乍现，更是理论与实践的厚积薄发。 
紧张的计算 集智攻关 走前人从未走过的路，所面临的必将是荆棘密布、险滩处处。曾有科研人员戏称神龙二号的研究是从“一穷二白”中起步：“一穷”——技术储备极为薄弱；“二白”——总体设计方案前所未有，关键技术难题前所未遇。然而，他们誓要“白手起家，无中生有”！ 面对重重技术难关，项目的技术负责人、流体物理研究所副总师章林文研究员积极策划装置的实现步骤，考虑各大系统之间的有机融合；加速器系统负责人、研究室主任石金水研究员精心组织、攻坚克难；各分系统的负责人陈思富、夏连胜、李劲、代志勇、李勤、禹海军、李洪、赖青贵、王敏鸿等思想活跃、冲劲十足，对新事物、新理论有着特别敏锐的洞察和捕捉，创新的思维火花时时迸射出炫目的光彩。在项目研制过程中，团队成员们数不清有多少次彻夜不眠的理论推敲与实验测试，也数不清有多少次风尘仆仆的奔波于协作单位之间，更数不清有多少次时而皱眉苦思时而惊喜万分的发现与探寻。 兆赫兹重复率猝发多脉冲高压产生是多脉冲高功率加速器的最大难点，国际上也正是因为无法解决这一难题而只能走单脉冲加速器路线，邓建军率研究团队提出了基于单脉冲功率系统和高压脉冲隔离网络技术产生高功率多脉冲的设计思想——把三个单脉冲系统产生的高压脉冲按照规定时序馈送到隔离网络，再通过隔离网络输出三脉冲到感应腔。其中三组高压隔离二极管是关键，它们各司其职，其作用就像大门，精准而快速地控制三脉冲的通过与隔离。为了能够有效屏蔽蕴含巨大能量的脉冲之间的相互干扰，高压二极管的性能指标与常用二极管相比高出成千上万倍，当时国内协作单位面对如此苛刻的技术指标，曾惊呼：“这简直不可能！”可直线感应加速器研究团队就偏偏要将“不可能”变为“一定能”。频率、电压、电流……瞄准各个参数指标，他们沉着冷静，不急不躁，实验、分析、设计、再实验。和生产单位共同努力，他们把自己的设计思想贯彻到每一道具体的生产工艺和环节，经过近十年时间的攻关和十多轮的试制和反复实验，一点点摸索，一项项改进，终于通过巧妙设计创新性地解决了这一重大难题。 多脉冲间加速腔磁芯复位是装置研制中所要解决的重大难题之一。时间间隔仅为千万分之一秒的三个脉冲，脉冲间由于时间太短已经来不及复位，传统的“励磁—复位”的循环工作方式行不通。如何励磁？如何同时实现三个脉冲之间的复位？又一难题挡在了研制团队面前，如果解决不了，就无法产生多脉冲的加速电压，实现不了多脉冲电子束的加速！邓建军率领团队冥思苦想：既然脉冲间无法复位，能不能三个脉冲之后再一起复位？为此他提出了“多次励磁、一次复位”的大胆设想。但在没有复位的情况下能否实现多次励磁以及能否按照要求励磁？没有任何教科书或参考资料可以借鉴。邓建军和石金水带领团队首先从理论上进行了可行性分析，接下来从低压下开始做实验；再逐步加大电压、加大磁芯尺寸。为了使三个脉冲激励到适合程度，又带来加大磁通跳变量、提高加速器铁芯材料性能等一系列问题。他们摸着石头过河，于激流中稳步前行，一块块拦路岩被他们成功搬开。 …… 多项国际上极具挑战性的重大难题，在直线感应加速器研究团队的手下迎刃而解，他们先后荣获数项部委级科技进步奖，在国际权威期刊发表文章数十篇。 
实验前的准备 千锤百炼 如果说，装置的研制是翻越千山万水的高歌猛进，那么装置的调试则是跋涉沟壑泥沼的举步维艰。 难，真的很难。 神龙二号是世界上第一台兆赫兹重复率猝发多脉冲高功率感应加速器，绝大部分问题都是从来没有遇到过的，都必须要靠自己闯出新路来。如此庞大的系统工程，极其复杂的影响因素、扑朔迷离的物理规律，虽然建设过程中的每一项关键技术难题都圆满攻克了，但最终组装完毕的装置能否成功运行？调试过程中会遇到什么问题？对于这片空白领域，无人能够回答。 在项目负责人和技术负责人的指导下，调试队队长石金水和副队长李劲带领队员们和调试中的难题较上了劲，不达目的誓不罢休。他们在运行的机器旁，凝注着、琢磨着，工作到半夜一两点是家常便饭；甚至夜深静卧的时候，脑子里还在连轴转，忽然间一个新想法闯入脑海，就恨不得立刻翻身起床、奔赴实验室。 调试过程中最棘手的就是绝缘问题，美国为解决长脉冲的绝缘问题足足花费了七年时间。神龙二号产生的是三脉冲，同美国DARHT-II装置的单脉冲相比，脉冲互相之间的电磁干扰影响更复杂。任何一个小细节的疏忽，都可能引起加速腔打火，严重时导致绝缘材料的击穿，使加速器无法正常工作。 为了解决三脉冲绝缘难题，研究人员耗费了大量的心血和时间，装置拆了装、装了拆，把被击穿的部件一个个分解开来，观察损伤情况，从材料的生产工艺、加工过程、安装情况等全过程查找问题、分析原因，不断提出改进方案，再逐个通过实验验证进行排查。 一次次改进，一次次调试；一个问题刚解决，新问题又不停出现；分段调试成功了，但装置合龙之后又遇到新的困难。这些过程难免在调试团队中产生焦躁情绪，极大地磨炼着他们的耐心。仅2013年3月15日那天，一次实验就损坏了9根高压电缆和6个高压二极管，团队成员们苦中作乐：“唉，‘3·15’果然是要求严格啊！”作为调试队队长，石金水不停给大家打气：“前面的实验表示装置曾有过正常状态，那我们就一定能把它调得完全正常！”他的话给屡受挫折的成员们打了一剂强心针，大家都说：“只要你有信心，我们就都有信心！” 成功登顶 一路攀登，交织着拼搏的艰辛与收获的甘甜，融汇了成功的经验和失败的反思；一路汗水，凝聚着创新超越的灵犀，浇铸出闪光耀目的丰碑—— 2011年12月15日，神龙二号加速器主束线顺利实现合龙！ 2013年4月18日，神龙二号通电成功！ 2013年3月27日，神龙二号加速器顺利完成首次三脉冲打靶实验！ 2014年1月3日，神龙二号加速器多幅闪光X光照相系统成功进行了首次多幅闪光X光照相爆轰实验！ 2015年1月22日，神龙二号加速器顺利通过了中物院组织的科技成果鉴定！ 3000余平方米的大厅中，长达百余米的神龙二号加速器主体肃然静卧，前方银色的牌匾上，由2014年度国家最高科学技术奖得主于敏院士亲题的“神龙二号”四个遒劲大字熠熠生辉。 “5、4、3、2、1，触发！”实验现场负责人李劲一声令下，巨大能量注入神龙二号装置的“龙头”，产生三个脉冲，在加速器主体内一级级加速，数千安培的电子束团径向尺度大幅压缩，从碗口粗压缩到针尖般细，精准轰击在靶上，产生的X光轻而易举地穿透厚达数十厘米等效钢厚度的武器装置。当多幅武器内爆不同时刻清晰图像跃然而出的时候，参与项目研制和实验的所有人员都非常激动，热烈的掌声经久不息。辛勤的付出终于换来了成功的喜悦！也标志着我国尖端武器闪光照相研究进入了一个多幅照相的崭新阶段。 同时，神龙二号与十年前建成的神龙一号装置呈九十度夹角安放，直线感应加速器研究团队将之戏称为“二龙戏珠”，“龙尾”双双皆瞄准爆轰装置。双龙配合，吐出肉眼看不见的高能X光，可以进行准三维的闪光X光照相，即在一次闪光照相实验中可获得两个角度四个时刻的清晰内爆图像和演变过程，大大提高了实验效率和置信度，为解决关键物理问题提供了重要的实验平台。 目前，世界上仅有中国和美国具备了同轴多幅和双轴精密闪光照相能力。 神龙二号的研制成功，是直线感应加速器和我国闪光照相技术发展中的一个重要里程碑，使我国成为世界上第一个掌握并研制成功兆赫兹重复率猝发多脉冲高功率加速器的国家！标志着我国尖端武器闪光照相能力实现了质的跨越，首次具备了双轴多幅精密闪光照相能力，对我国新型武器研制、武器综合性能提高具有重大的军事和科学意义！同时带动了我国的光电子技术、半导体技术、磁性材料开发、图像处理技术、加速器技术和高功率脉冲技术的迅速发展。 历经数十年艰苦卓绝的奋斗，我国直线感应加速器事业蓬勃兴盛、一路凯歌。从最初的1.5MeV直线感应加速器到20MeV 直线感应电子加速器神龙二号，从缩比到全尺寸照相，从单幅到多幅，从单轴到双轴…… 落后，赶追，超越！令世界瞩目的创新成果和水平飞跃，是中国国防实力的傲然展示；前进途中的披荆斩棘、无往不胜，是中物院人“铸国防基石，做民族脊梁”的真实写照。这支风华正茂的“铁军”——流体物理研究所直线感应加速器团队，凭智慧与毅力为国防事业加速，一步步地体现了我国直线感应加速器从无到有，再到完全创新的跨越式发展，开拓出了一条具有我国特色的强流脉冲直线感应加速器发展之路
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