从零到国际领先：中国研究人员自食其力，创造了“自食其力”LEAF”利器

2015年春天，兰州的灰尘并没有阻止一群研究人员。中国科学院现代物理研究所(以下简称现代物理研究所)的四个研究中心的研究骨干聚集在一起。项目负责人、中国科学院教授赵红伟的话，就像一块石头投入平静的湖面，激发了各种波浪：“国际重离子领域急需低能量强流重离子加速器设备，存在许多重大物理和技术挑战，但我们必须尽快建造一个。”

超导离子源开发负责人、现代物理研究所低能粒子束技术中心主任孙良亭表示，面对“低能源区重大需求”和技术封锁的多重挑战，平均年龄只有31岁，决定独立开发多功能、微型低能量重离子设备，并命名为“LEAF“，即“低能量强流高电荷重离子研究设备”。

近日，该团队荣获中国科学院第六届科园名匠。

启航-冲破迷雾，挑战技术封锁

2015年，LEAF项目启动之初，就遇到了“绊脚石”。

超导高电荷态ECR离子源是LEAF的核心组成部分，可以生产高电荷态和强流离子。铌三锡材料也是超导离子源技术的“心脏”，是制造高场加速器超导磁体的必要材料。然而，当时国内一般线圈的尺寸精度不能满足要求，更不用说应用于复杂的超导离子源磁体制造了。

“我们原计划与世界其他实验室合作，共同突破铌三锡超导离子源磁技术。”孙良亭回忆说，“但不到一年的合作就突然结束了。”面对这种困境，团队成员并没有退缩，他们知道只有独立学习才能打破这种困境。

为了加工合格的线圈，团队成员根据设计图纸将头发厚度、薯条脆的铌三锡超导线绕700多圈，偏差精度保持在50微米以内，每个圈都不能容忍任何错误。起初，由于缺乏技术经验，缠绕的线圈就像杂乱无章的麻线团，但经过反复试错、优化和改进，最终完成了高精度铌三锡线圈的加工。

线圈绕过后，新的问题接踵而至——如何检测线圈的技术性能?面对这一技术空白，团队成员弘扬“小马过河”精神，大胆推断，勇于尝试。通过无数次仿真实验，他们成功克服了测试问题。在第一次测试中，他们验证了独立开发的铌三锡超导线圈的性能，并以实际行动向世界同行证明了中国科研人员的实力。

然而，超导磁铁的组装过程面临着新的挑战。如何控制其在强磁场力作用下的应力分布，确保磁结构的稳定性和可靠性，已成为困扰团队的新问题。

“我们尝试了各种方法和技术手段，但效果并不理想。直到发现金属压力囊和键条。(Bladder & key)现代物理研究所高级工程师吴北民回忆说，技术优势。

该技术是一种创新的异形超导磁体结构装配方法。通过金属压力囊(Bladder)和键条(key)精确的应力调节，组装复杂的磁体结构。

“这项技术就像一件为超导磁体量身定做的‘紧身衣’，既能保证超导磁体在强磁场力作用下的稳定性，又能灵活调节应力分布，满足不同的试验条件。”吴北民说。

在开发过程中，团队不断探索新的方法和技术，反复验证和优化每一个细节。经过无数次实验，金属囊的抗压能力从最初的两三兆帕成功提高到50兆帕，搭建了高场超导磁体装配平台，采用先进的应力分析方法和应变检测技术，完成了超导磁体样机和整机的成功开发。

加快——打造“离子”高速公路的快速想象力

离子从“发生器”中产生后，需要进入“高速公路”加速。团队成功开发的连续波重离子RFQ加速器，就像在微观世界中建造了一条超高速公路，可以让20万亿次离子同时起飞，奔向试验目标。

然而，建造这条“高速公路”并不容易。过去，类似加速器加速的重离子束大多只是“涓涓细流”，团队的目的是让重离子束形成一条“汹涌的河流”。为了实现这一目标，他们重新设计了离子运动的“路线图”，使磁场更准确地“引导”离子;调整加速器的结构，使离子束在高速运动中更“稳定”，不易分散。

2004年，当张周立第一次进入研究所时，他承担了RFQ加速器开发的负担。当时，研究所没有人涉足这个前沿领域，他面临着一个未知的空白。

“当我们设计RFQ加速器时，我们面临着许多挑战。它不仅具有加速粒子的功能，而且还需要实现横向聚焦和纵向团聚。这三个功能很难集成在一起。”张周立回忆说。为了突破技术困难，赵红卫聘请了一位来自美国的高级专家作为导师，推动他深入探索RFQ加速器的奥秘。

刚进这里的时候，张周立充满了疑惑:“为什么一定要坚持RFQ加速器的研究?”导师说:“你不知道，RFQ加速器虽然体积小，能量不高，但其强大的功能和复杂的结构是其他加速器无法比拟的。这是一个极具挑战性、激发科研热情、带来成就感的科研项目。”导师的话让张周立豁然开朗，坚定了他突破RFQ加速器的决心。

在研发过程中，团队面临的最大挑战是如何加快高电荷和高流量的束流。当时，国内外的研究大多集中在低流量强度领域，张周立志突破毫安20个高流量强度问题。

为了实现这一目标，团队采用了全新的动力学设计方案——均温法，最终成功克服了高流强带来的技术挑战。

“这一技术突破的意义在于，这种加速器未来可以更有效地服务于重离子科学研究，为先进材料、核能技术和先进放射治疗提供持续稳定的离子束。”孙良亭说，从“间歇供水”到“全天候高压供水”，效率和实用性大大提高。

升级-制备“鸡尾酒束”，解锁新的科研可能性

在重离子应用领域，特别是在核能材料的研究中，使不同的重离子束像训练有素的团队一样准确地合作尤为重要。因此，团队为加速器安装了一套“速度调节器”，就像为高速公路开发了一个智能调度系统一样。

过去，一条车道只能运行一种汽车-单离子束。现在，通过这个系统，三种不同的汽车-三种离子束可以同时在一条车道上运行，这些“离子车”可以通过调整速度直接到达终点。这种“多离子混合束”被生动地称为“鸡尾酒束”，可以满足更复杂测试的需要。

离子源办公室副主任杨尧回忆说，在开发过程中，项目团队一个接一个地解决了技术问题。其中，DTL调能系统的开发尤为困难。

“当时我们面临的最大挑战是如何在有限的时间内单独开发射频内腔。在这个过程中，我们犯了很多错误，但也积累了宝贵的经验。”杨尧告诉记者。

经过无数次实验和改进，项目团队成功开发出具有国际领先水平的DTL调能系统。该系统不仅完成了束流能量的精确分配，而且兼顾了束流的高流量强度和稳定性。

“有一次，设备在深夜出现故障，我是当时唯一在场的人。那天是农历十二月二十九日，新年快到了。赵宏伟教授特别赶到，经过大约两周的努力，我们成功地解决了这个问题。这次经历不仅让我在业务水平上显著增长，更重要的是，它让我深刻认识到责任感的重要性。”杨尧激动地说。

孙良亭说：“我们的束流强度指标现在是世界上最高的。以氧离子束为例，国际指标约为0.6m安，我们达到1.1m安。同时，我们成功地提高了束流能的散度水平，为核物理学家提供了更准确、更稳定的实验条件。”

目前，LEAF设备已成功通过国家验收，为用户提供了1.3万多小时的束流，为国内外60多个试验提供了大量的束流，并取得了许多重要的研究成果。

但项目团队并没有停止前进。孙良亭说：“一方面，进一步优化设备性能，提高束流强度和稳定性，另一方面积极探索新材料研发、放射性同位素生产等应用领域的潜力。”