2012年07月09日 星期一
以创新精神引领中国低能核物理基础研究发展
——写在HI-13串列加速器安全运行十万小时之际
中国原子能科学研究院 胡 霖

    2012年6月18日日9时40分,HI-13串列加速器的运行时间计数器从99999小时回归到0计数,实现了安全运行十万小时。掐指算来,这十万小时的运行让这台串列加速器走过了将近26年的光阴。20多年来,原子能院的科研人员以串列加速器和串列加速器核物理国家实验室为平台,坚持创新,奋力探索,使我国低能核物理研究形成了完备的学科创新体系,取得了一大批具有国家需求背景和国际先进水平的研究成果,为推动核科技的发展,提高我国在国际核物理界的地位做出了重要贡献。

    HI-13串列加速器是我国低能核物理研究基地——串列加速器核物理国家实验室的主要设备,也是我国唯一的一台头部电压最高的静电式串列加速器。1986年的10月,这台从美国引进的加速器在原子能院安装调试完成通过验收,开始为核物理实验供束。1987年8月,串列加速器工程通过国家验收正式交付使用,同年9月份向全国开放。1988年底,串列加速器核物理国家实验室正式成立,实验室按照对国内外开放的模式运行与管理,主要开展核物理基础研究、核数据测量、核物理应用和交叉学科的研究。

    我国著名核物理学家王淦昌院士曾十分欣慰地说:“串列加速器是有特色的低能核物理研究工具,具有不可替代性。串列加速器核物理国家实验室的成立,为我国低能核物理基础研究创造了一个可以追求国际水平的基地,并为我国核能应用研究和培养高水平的人才提供了条件,建立串列加速器核物理实验室是中国核物理发展史上的里程碑。”

    奋力开拓,引领发展,成果勘镌里程碑

    HI-13串列加速器的引进使当时中国低能核物理实验装置的水平有了一个质的飞跃,它在拓展了中国低能核物理基础研究的领域的同时,也将中国低能核物理基础研究向前推进了一大步,更为在“两弹”攻关时期成长起来的核物理基础研究人才提供了一个很好的平台。先进的实验设备加上充足的人才储备以及科学筹划的研究方向,为快出成果、出好成果提供了先决条件。

    1986年在串列加速器上完成的一个实验工作首次观察到了镥-167三轴超形变带,这是国内核物理实验中发现的第一个超形变带,也是国际上找到的第三个罕见的三轴超形变带。当时的《科技日报》曾以“率先发现镥-167三轴超形变——我国核结构研究获得重大突破”为题,报道了这一发现。

    据曾经担任过串列加速器核物理国家实验室主任的张焕乔院士回忆,在上世纪80年代初,国际上刚刚发现垒下熔合增强的新现象,各国的研究工作开展得非常热烈。1983年,他在国外进行研究工作时发现几个模型都能同时解释熔合激发函数。为了检验理论需要增加测量量,他想到用测量裂变碎片角分布来抽取均方自旋值应该是一个可行的方法。当时,他非常想在我们自己的串列加速器上进行这个实验,这样所取得的成果就能属于中国。于是他决定回国后就立即着手开展这一工作。回国后,经过充分的准备,1987年秋,他和同事在串列加速器上进行了实验测量了17F+208Pb裂变碎片角分布,首次观测到碎片角异性的异常现象。由于当时的模型理论无法同时解释熔合激发函数和碎片的角异性,他们的实验结果引起了国际同行的重视。随后,经过8年的潜心研究,他们提出一个新的预平衡裂变模型,解释了所观察到的异常现象,加深了对垒下重离子熔合裂变机制的认识。这一系列成果在1999年获得了国家自然科学三等奖。

    1991年,原子能院科研人员在串列加速器上合成了新核素90Ru, 这是首批在国内实验室合成的新核素,结束了中国人在发现新核素上的历史空白。

    1993年,原子能院科研人员串列加速器上建成了国内第一个放射性次级束装置,相继产生了7Be等放射性核束,束流品质达到了国际同类装置的先进水平。利用这个实验装置,核天体物理研究组开展了放射性核束物理与核天体物理的实验研究,形成了实验方法和理论分析都独具特色的研究路线,取得了一批具有国际先进水平的创新性研究成果。1995年完成了2H(7Be,8B)n反应角分布测量,间接确定了7Be(p,γ)8反应的天体物理S17(0)因子,为太阳中微子丢失现象提供了新的实验证据。1996年,HI-13串列加速器上次级放射性核束的产生及应用获得了国家科技进步二等奖。

    “八五”、“九五”期间,原子能院科研人员在串列加速器上通过测量中太平洋海底多金属结核10Be剖面分布提供了海底资源生长年代和赋存规律的重要依据,为我国获准中太平洋C-C区海域30万平方公里海底资源的开采权做出了重要贡献。1995年加速器质谱学方法测定锰结核Be-10和Cl-36获得了国家科技进步三等奖。

    按照“小规模、高水平、有特色”的指导原则,原子能院科研人员在串列加速器上针对我国核装置设计、测试和动力堆设计需要的关键核数据开展了以填补空白、澄清分歧、提高精度为目的的测量工作,向用户提供了中国评价核数据库第一版、第二版等通用核数据库和专用核数据库,为我国核装置的发展做出了应有的贡献。这一领域的研究成果曾获得过三项国家科技进步奖。

    串列加速器具有更换粒子方便快捷、能量连续准确可调、可实现评估曲线完整测量等诸多优势。近年来,在微电子器件抗辐射加固研究方面,原子能院科研人员与航天型号研制单位以及抗辐射加固技术研究单位紧密合作,承担了过去国内大部分的单粒子效应性能评估试验研究和考核工作,被国家有关部门抗辐射加固技术专家组誉为是目前国内最适合于开展抗辐射加固地面模拟试验研究用的大型加速器。研究人员成功研制了粒子效应专用重离子辐照装置和重离子微束辐照试验装置等专用实验终端以满足国内开展宇航器件抗加性能评估的迫切需要。到2012年6月,开展抗加地面模拟试验获得了丰富的工程评估数据,项目成果在嫦娥、天宫等多个重点工程以及“核高基”国家重大科技专项中得到了实际应用。

    从投入使用到2012年6月,HI-13串列加速器共提供了从氢到金共计40余种粒子束。国内50多个研究机构的300多个课题在这台加速器上进行了多次实验研究。我国科学家与来自英国、美国、韩国、日本、俄罗斯、德国、意大利等国的科学家进行了合作研究。迄今为止,原子能院的科研人员在串列加速器上开展的研究工作获国家自然科学奖2项、国家科学技术进步奖8项、国防科学技术奖25项。在国际和国内核心期刊论文总数1400篇,其中SCI收录650篇。

    消化吸收再创新,实现重大设备国产化

    随着时间的推移和研究工作的不断深入,科研工作对加速器各项性能的要求不断提高。串列加速器经过一段时间的运行后,工程技术人员先后发现了设备存在的一些不足,比如,加速器核心设备中输电梯上的组件尼龙绝缘子的性能不十分稳定,尼龙绝缘子上的无油轴承因为很容易磨损,导致了输电梯产生变形和运行不平稳,不仅缩短了输电梯的检修周期而且调整起来也很困难。加速器电阻分压系统的原兰电阻系统屏蔽保护性能差,高压打火时电阻易被损坏,封装电阻时使用的环氧树脂很容易被高压打火击成碎块,掉落在钢筒底部成为加速器高压打火的诱因,影响加速器的正常运行。

    输电梯、分压电阻和加速管是决定串列加速器高压性能的最关键的三个系统,整体备品进口费用在上世纪80年代末大约需要100万元、500万元、1000万元人民币以上。进口配件价格不菲,且解决不了根本问题。有限的科研经费加上国外产品在性能上的不足,使得设备的国产化提上了日程。

    科研和工程技术人员将国产化研究的重点放在了输电梯尼龙绝缘子和无油轴承的研制、输电梯组装工艺和使用前处理工艺的建立及加速管的升级改造上。经过不断地试验和摸索,到1996年,国产化的输电梯和电阻分压系统完全取代了进口产品。国产化的备品不但节省了大量的经费,而且在整体性能上明显高于进口备品。输电梯组装工艺使电梯上机调整时间从过去的一个月缩短至一到两天,大大提高了运行的平稳度和开机效率。国产化的输电梯运行时间达到了11600小时,大大超过进口输电梯8000小时的记录,且价格只相当于进口输电梯的四分之一。加速管升级改造完成后,加速器的最高头部电压达到了15.07MV,拓展了核物理基础研究领域,特别是为单粒子效应研究提供了有利的条件。2002年,大型重离子串列加速器技术创新与重大设备国产化研究项目获得了国家科技进步二等奖。

    工程技术人员为满足物理实验对重离子脉冲束的要求,创立了一种与传统模式不同的聚束方法——非标准模式聚束,拓宽了串列加速器上可供使用的重离子脉冲束的粒子种类,使得过去无法进行的重离子脉冲束实验得以开展起来。从1990年开始,科研和工程技术人员先后自行设计建立了9条用于加速器质谱研究、材料辐照、原子分子、核数据测量、单粒子效应、核化学等多方面研究用途的束流管道。目前,加速器的束流管道已由建成之初的6条增加到了15条,提高了加速器的使用效率。此外,研究人员还开动脑筋,依靠创造性的物理思想和有限的经费条件在这台加速器上建成了我国第一条放射性次级束流线、世界独创的反常规飞行时间谱仪、我国第一台超灵敏加速器质谱计、在束γ谱仪、可以提供40MeV以下单色中子的氚气靶等一批终端设备,这些设备对于一批优秀科研成果的产生发挥了极为重要的作用。

    设备的国产化和技术改造以及各类配套实验终端设备的研制使串列加速器的整体性能得到了有效的提高,不仅保证了加速器的安全运行,满足了不同物理实验的需求,还培养和锻炼了一批工程技术人员。20多年来,串列加速器一直保持着较好的技术状态和运行状态,年平均供束时间超过3500小时,达到了国际同类装置的水平,真正做到了安全、稳定、高效运行。

    展望未来——续写发展新篇章

    回顾历史人们不难发现,串列加速器20多年来的发展循着的依旧是引进——消化吸收——再创新的思路,串列加速器的引进和串列加速器核物理国家实验室成立20多年来所取得的发展为我国核物理基础研究的发展积累了宝贵经验。经过20多年的发展,串列加速器核物理国家实验室已成为中国低能核物理研究的重要平台,对中国核物理基础研究的发展起到了很好的引领和推动作用——高水平的基础研究成果提高了中国在国际核物理界的地位;高水平的应用基础性研究为国家资源、环境、材料、生命等学科的发展提供了重要支撑;高水平的核数据研究为国家重点科学工程的发展提供了重要数据,加速了核装置技术的发展。一大批优秀的核物理基础研究人才从这里成长起来,成为中国核物理基础研究的领军人物。

    为充分利用串列加速器,进一步拓展研究领域,提高研究能力,规划好21世纪中国低能核物理发展的方向,“八五”期间,原子能院提出了以串列核物理国家实验室为基础,建设“北京放射性核束装置”的设想,该装置建成后将进一步开拓核物理研究的新方向,满足国际前沿科学研究的需要和核工业、航空航天等领域的国家重大需求,实现核物理与天体物理、材料科学、生命科学、加速器技术等多学科的交叉发展。这一装置目前正在加紧建设,并将在2014年建成。

    对于串列加速器核物理国家实验室今后的发展,现任实验室主任赵志祥研究员介绍说,实验室将依托“北京放射性核束装置”,把实验核物理研究、核物理应用技术研究、核数据测量技术研究和辐射物理与生物研究作为实验室发展的重点。在核物理基础研究方向瞄准国际前沿领域,重点开展放射性核束物理、近库仑势垒重离子反应机制、核天体物理、高自旋态核结构等研究,力争在远离稳定线核结构和反应研究中取得突破;在核物理应用研究方向瞄准国家在环境、安全、资源、生命与健康等方面的目标,发展高灵敏的元素、核素分析方法,发展微区、微结构等测量方法,力争在技术与方法上赶超国际先进水平;在核数据研究方向发展适应新形势需要的核数据测量技术、方法,并提供重要的核数据;在辐射物理与辐射生物研究方向开展宇航迫切需要的电子器件和关键系统的质子、重离子和种子单粒子效应等方面的研究,掌握辐射效应规律和抗辐射加固技术,推动我国辐射效应和抗辐射加固研究,使我国在辐射环境的模拟和辐射效应的研究以及测试、评估和抗辐射加固技术方面达到国际水平。

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