聚龍一號裝置放電瞬間

　　■姜洋 鄒文康

　　 2013年10月10日上午，在四川綿陽中國工程物理研究院（以下簡稱中物院）流體物理研究所的聚龍一號裝置實驗主控制廳中，牆上6米長、2米高的大屏幕分區域顯示着監控畫面和複雜的技術參數。操作台前，一排身穿白褂的科研人員，熟練而準確地操作着電腦，報送着各系統的狀態。成果鑑定委員會的10位院士、5位專家目光如炬，緊盯屏幕上每一次數字的跳動。

　　 “觸發！”實驗負責人豐樹平的一聲令下，伴隨着低沉的悶響和大地的震動，在與控制廳相隔不遠的試驗大廳中，數十道紫色的電蛇猛然劃破空間，自曲折蜿蜒中迸射出刺目的熾烈光芒——24路強大的電能分別沿12個方向，從五千立方米的空間壓縮匯聚於僅數個立方厘米的中心靶區，將100秒內存儲的數百萬焦耳電能在億分之一秒內輻射出來，產生能量數十萬焦耳、功率數十萬億瓦（瞬時功率相當於數倍的全球電網功率）的軟X射線！測試廳的記錄儀器準確記錄下億分之一秒內的相關技術參數和瞬態圖像，呈現於示波器和計算機的屏幕上。

　　 這就是中物院流體物理研究所自主研發的、達世界一流水平的超高功率脈衝強流加速器——聚龍一號（英文簡稱PTS）裝置通過國家級鑑定的場景。成果鑑定委員會認為，聚龍一號建設項目提出了有特色的超高功率多路匯流裝置總體設計方案，突破了多路太瓦量級電脈衝的納秒級精確時間控制、超高功率脈衝的產生和傳輸與匯聚等關鍵技術，自主研製成功國內首台多路並聯超高功率脈衝裝置，在負載上實現了峰值近千萬安培、前沿約千萬分之一秒的電流輸出，技術指標達到國際同類裝置先進水平！

　　 這一台在我國核武器研究進程中具有標誌性意義的科學實驗裝置的建成，使我國成為世界上極少數獨立掌握數十萬億瓦級超高功率脈衝加速器設計和建造技術的國家，是我國高功率脈衝技術發展的又一個里程碑！

　　決策

　　直面挑戰 迎難而上

　　 中物院創建於1958年，是以發展國防尖端科學技術為主的理論、實驗、設計、生產的綜合體，是我國唯一從事核武器研製生產的綜合性研究院。流體物理研究所是中物院下屬的第一研究所，主要從事核武器研製、高新技術武器研製、軍民兩用技術開發及成果轉化等工作。

　　 伴隨着1996年全面禁止核武器試驗條約的簽署，如何在實驗室條件下，創造出接近核武器爆炸產生的極端高溫、高壓、高密度、強輻射條件，成為新時期核武器研究能否有效開展的關鍵。

　　 脈衝功率技術是以電能為基礎，通過對能量在時間和空間上進行壓縮，並在特定負載上快速釋放，獲得極高的功率輸出的一門實驗科學，是在實驗室條件下產生極端高溫、高壓、高密度、強輻射條件的有效手段。我國脈衝功率技術研究的先驅、老一輩科學家王淦昌院士曾經指出：“高功率脈衝技術是當代高科技的主要基礎學科之一。”採用超高功率脈衝裝置驅動柱形金屬絲陣負載，使其氣化並向軸心箍縮（即Z箍縮），能產生極強的X射線輻射，可以用來研究核武器中的輻射輸運和聚變點火等問題，同時在慣性約束聚變、輻射效應、天體物理等前沿科學研究領域也具有非常重要的價值。

　　 近幾十年來，由於軍事應用需求的強烈牽引，高功率脈衝技術成為主要的有核國家研究的焦點，美國投入了大量人力物力，先後建立了一系列超大脈衝功率裝置，典型的Z箍縮研究裝置有土星裝置和ZR裝置，俄羅斯也先後建成S－300和Angara-5-1裝置。與之相比，我國起步較晚，基礎薄弱。

　　 為適應新時期核武器研究的需要，必須擁有具備足夠驅動能力的綜合實驗平台，以此為基礎加強精密物理實驗設計、高精度多物理量診斷測試、數值模擬及理論分析等方面的能力。經過精心論證，上世紀末，中物院啟動了大型多路超高功率脈衝裝置的相關研究工作，並對已有平台進行技術改造，開始了原理探索及關鍵技術研究。在此基礎上，本世紀初，中物院向國家提出了適合我國國情的研究發展計劃建議，其中最關鍵的第一步，就是研製Z箍縮初級試驗平台——聚龍一號並開展相應的物理實驗研究。

　　 2004年，國家批覆中物院正式啟動相關工作，裝置的技術指標確定為輸出電流八百萬至一千萬安培，電流脈衝上升時間小於千萬分之一秒，功率超過20萬億瓦。這樣的裝置系統極為複雜，技術難度和風險非常高，國內的技術基礎十分薄弱，材料、設計、加工等各方面都面臨極大的挑戰。

　　 國防科學技術研究的歷史使命，使得中物院人毅然接受挑戰，迎難而上、昂首前行。自2001年起，任務承擔單位流體物理研究所開展了周密的立項論證工作，丁伯南、彭先覺等院領導對此給予了高度關注，多次親臨一線，了解項目的進展和亟待解決的問題。院內外老專家組成了頂尖專家團隊，就裝置技術路線和關鍵部件研製進行激烈討論，提出了很多有益的思路和建議。流體物理研究所集中科研精英成立論證報告編寫組和預研攻關小組，從國外有限公開的資料中收集、提煉相關信息，結合中物院的具體要求，對技術路線和關鍵技術進行充分的調研和分析論證，多次召開大範圍深層次專題研討會，技術資料、設想方案、加工圖紙堆滿了研究人員的文件櫃。預研小組成員隨後開展了場畸變開關、激光觸發多級開關、馬克斯發生器模塊研製等大量預研工作，開展了上百次的論證研究，探索突破關鍵技術的途徑。通過細緻地進行物理分析、精確地驗證計算參數、周密地考慮模型設計，取得了激光同步觸發系統、場畸變氣體開關、磁絕緣傳輸線，以及測試診斷系統研製的重大突破，為裝置立項打下堅實的基礎。

　　 在聚龍一號裝置的總體設計方案中，同步觸發方案是其“靈魂”之所在。這是由於電流巨大，聚龍一號裝置需由24路超高功率脈衝功率裝置並聯而成，每一路能量的釋放由一個激光觸發開關控制。為保證開關動作的一致性，激光實際出光時間與設定值的誤差不能超過兩億分之一秒。如果將從電容器充電開始到最後能量釋放完成的時間（約100秒）放大展寬至一千年，那麼上述時間誤差僅相當於1.5秒，其技術難度可想而知。為了實現這一技術指標，必須設計出完善的激光觸發開關同步觸發方案。

　　 當時，美國Z裝置是採用一台能量很大的激光器，分為36路激光去觸發36個開關。如果直接借鑑美國的經驗，技術風險會降低很多，但是該方案對激光器能量要求高、光路極其複雜、穩定性不高。

　　 2005年，項目負責人鄧建軍研究員、脈衝功率研究室主任謝衛平研究員帶領團隊結合裝置研製特點，原創性地提出了採用12台激光器、每台激光器觸發兩個開關的技術路線，這樣既能保證開關觸發的同步性，觸發光路也極為簡化，原理上具有非常優越的性能；同時具備維護和運行效率高的特點。

　　 由於國際上毫無先例，當時這方案甫一提出，受到了國內部分相關專家的質疑。在激光觸發方案專題論證諮詢會上，國內從事激光器研究的權威專家認為，國內尚無滿足要求的激光器，而且按照這種激光器的常規的控制方式和水平，出光時間要達到所需的精度幾乎是不現實的。

　　 面對諸多質疑，鄧建軍率領項目組在開展了大量關鍵技術攻關的基礎上，進一步對方案和驗證性樣機相關實驗數據進行了充分的分析和細緻論證，證實了該方案可行性，並最終取得了成功。在隨後2006年的首屆亞歐脈衝功率會議上，聚龍一號項目團隊交流了激光開關的技術方案，引起了美方的高度重視。2007年，美國聖地亞實驗室Z裝置升級完成，其激光開關的觸發方案也改為由36台小激光器觸發，再次證明了這一方案的先進性。

　　 總體技術方案既定，標誌着聚龍一號裝置研製的大幕正式拉開。這將是漫長的遠征，在這條路上將會有激流險灘般的高歌猛進，也會有深山峽谷般的跌宕起伏。然眾志成城何懼艱難險阻，且看滄海橫流英雄聚、雲起龍驤寫豪情！流體物理研究所科研人員在每一個崗位上都煥發出最大的創造活力，匯聚成為無堅不摧的洪流！

鄧建軍（中）、謝衛平（右）、豐樹平（左）在商討技術方案

　　成就

　　匯聚能量 綻放異彩

　　 凝眾人之智，聚集體之力，終於換來了龍騰九霄！2012年3月，聚龍一號裝置整機安裝工作全部結束。直徑約33米、高度近7米的聚龍一號裝置傲然矗立。它由儲能系統、脈衝形成與傳輸系統、電流匯聚系統、物理負載系統和輔助系統等組成，包含了1440台脈衝電容器、720個場畸變開關、24台激光觸發氣體開關、12台高性能激光器。

　　 2013年6月，由國內加速器、脈衝功率技術和等離子體物理專家組成的測試組，對聚龍一號裝置相關技術指標進行現場測試。測試結果表明，在驅動箔套筒負載條件下，裝置輸出了近千萬安培峰值電流；在鎢絲陣Z箍縮負載條件下，裝置輸出了九百萬安培峰值電流，X射線輻射產額達590千焦耳，X射線峰值輻射功率達到47萬億瓦。裝置輸出電流的水平處於國際同類裝置的先進水平！

　　 神兵在手，且看我劍指蒼穹！鄧建軍、謝衛平等針對聚龍一號的性能特點，配合當前的研究重點內容，對測試實驗和物理實驗進行了統籌策劃。通過以聚龍一號這一大型多路並聯的超高功率脈衝強流裝置為加載平台，在長脈衝和短脈衝兩種工作模式下，驅動不同類型的物理負載，產生超高壓、超高溫、強輻射、強磁場等極端物理環境，進一步深入開展強X射線輻射源相關物理研究、脈衝功率驅動的聚變科學與技術研究、重大基礎前沿科學研究及探索。

　　 在所開展的七百萬至九百萬安培電流驅動水平下的絲陣等離子體內爆物理實驗中，科研人員在國內首次獲得了功率大於50萬億瓦、能量大於500千焦的X光輻射，以及清晰的絲陣內爆圖像。在五百萬至七百萬安培長脈衝電流驅動下的磁驅動准等熵壓縮物理實驗研究中，超高速飛片發射達到的峰值速度約每秒11.5公里，獲得了達到120萬大氣壓的峰值磁壓力，這是目前國內脈衝功率技術領域所能獲取准等熵壓力的最高值。此外還開展了多路超高功率脈衝裝置分時放電技術、高功率密度能量傳輸與匯聚等高功率脈衝技術的實驗研究。截至2014年6月，經過共計120餘次實驗的歷練，不僅充分證明了聚龍一號裝置能夠產生瞬間功率高達數十萬億瓦、溫度數百萬度的X射線輻射，也可以產生高達數百萬大氣壓的加載壓力，同時利用該裝置取得了一批達到國際先進水平的Z箍縮物理實驗結果。

　　 2013年10月10日，聚龍一號順利通過了國家級鑑定。這一項目的建設，為該技術領域新概念和長遠發展方向探索奠定了重要基礎，成為我國高功率脈衝技術發展的又一個里程碑！

　　 2014年6月，在美國華盛頓舉行的第41屆國際等離子體科學會議暨第20屆國際高功率離子束學術會議上，鄧建軍受大會組委會邀請，作了題為“Overview of pulsed power researches at CAEP（中物院脈衝功率技術研究概述）”的全體大會特邀報告。報告對中物院在脈衝功率科學領域的發展進行了闡述，對取得的成果和進展進行了交流，引起了國際上的極大關注和高度讚譽，美、俄、法等國的參會專家紛紛表達了想與我國合作開展研究的意願。

　　 聚龍一號項目的成功，是我國在新的歷史時期，核武器科學技術研究實驗設施的重大進展，將對核武器物理研究產生重要的影響。同時，也將為聚變能源科學、材料科學等前沿科技的發展創造有利的條件。項目研究過程中的重重難關造就了一支素質良好、善於協同攻關、能打硬仗的隊伍，在科研管理、裝置設計、物理實驗技術、理論和數值模擬、負載及靶的製備技術以及診斷技術等方面積累了雄厚的底蘊。

　　 未來，在超高功率脈衝技術的大舞台上，且看中國人的矯然身姿！

聚龍一號裝置實景圖

王勐（右一）和科研人員在檢測設備

　　突破

　　凝智聚力 自主創新

　　 聚龍一號裝置龐大繁雜而又極為精密，各個部分環環相扣、絲絲相關，需攻克的單元技術難關高達數十項之多，其中有多項技術是世界級難題。

　　 在幾乎是從零開始的研究過程中，鄧建軍、謝衛平等人精心籌劃、積極協調技術攻關和裝置建設，並親力親為，堅持參加項目組重要的技術討論並果斷決策；項目組核心攻關團隊成員豐樹平研究員、王勐研究員、李洪濤研究員、宋盛義研究員、何安副研究員、衛兵高級工程師和分系統負責人與成員一起憑藉敏銳物理嗅覺在迷霧中探尋規律，在腦力極度碰撞中迸射出智慧火花，終於鑄就了一個個單元項目的成功。

　　 激光觸發多級多通道開關是控制聚龍一號裝置中能量在約億分之一秒內釋放的“閘門”，作為核心的可控超高功率活性元件，關繫到裝置的總體運行效率和可靠性；同時，開關還需具有耐壓高（5百萬伏）、導通電流大（近百萬安培）、導通電感電阻小、觸發延遲和抖動小、可靠性高、使用範圍大等特點。王淦昌院士曾認為，應用激光開關實現多路裝置同步放電是脈衝功率技術發展的里程碑之一。在2002年對其進行論證的時候，國際上僅美國擁有這一研製技術，且在不斷地摸索改進中。

　　 高峰險阻，唯勇者至！面對這一難題，在項目負責人的指導下，李洪濤帶領的攻關小組憑藉不屈不撓的精神，在探索中前行。他們在物理機理研究、實驗設計研究、系統檢驗三個階段，通過反覆實驗和數值模擬計算，探究着其中極細微、深入的物理規律，獲取了大量基礎物理數據。

　　 在開關間隙電壓的勻場設計方面，他們開展了大量的文獻調研和現場考察，汲取他人的研究精華；在綜合考慮裝置特點的基礎上，獨創性地提出了鉗位環技術，針對這一技術方案開展了多次計算和模擬實驗以驗證其有效性。這一方案在後續的實驗中被證實具有突出的優越性。

　　 經過不懈努力，李洪濤等人在國內首次研製成功觸發時間誤差小於五億分之一秒的5百萬伏低抖動激光觸發多級多通道開關，開關的擊穿時延分散性與一致性等技術指標達到世界先進水平。在2006年由流體物理研究所發起並主辦的首屆亞歐脈衝功率會議上，俄羅斯科學院院士斯米爾諾夫和美國聖地亞實驗室激光開關負責人對該開關給予了高度評價，並主動找到鄧建軍表達了開展合作研究的願望。

　　 磁絕緣傳輸線可稱為裝置的“命脈”。沿磁絕緣傳輸線的傳輸方向，電磁場強度及功率密度急劇升高，對其物理參數設置、部件材料選型、結構設計及加工製造提出了極高的要求。而像這種參數等級的磁絕緣技術在國外應用僅十來年的歷史，在國內更無先例。因此，磁絕緣傳輸線從設計、製造、安裝到測試都面臨巨大的困難和挑戰。

　　 在設計過程中，宋盛義攻關小組結合裝置磁絕緣傳輸線的具體要求，有針對性地開展物理設計、實驗驗證等深入細緻的工作，從公式推導、程序編制、參數優化，到模擬結果驗證，環環相扣、步步深入，成功完成磁絕緣傳輸線電路模擬計算模型的自主研發，為參數設計奠定了基礎。

　　 在參考國外先進經驗的同時，他們針對裝置磁絕緣傳輸線的多層圓盤錐大型腔體結構，在國際同類裝置中首次採用了大錐角、高阻抗等新的設計思路，成功解決了靶區物理測試困難的問題。

　　 磁絕緣傳輸線的安裝與測試是技術含量頗高的大工程，涉及上百個組裝件，材料、形狀、重量及安裝要求千差萬別，單件重量大到噸級、小到公斤級，有的幾米尺寸的大型件組裝配合精度甚至要求達到0.2毫米，從吊裝設備到配合工裝均有特殊要求。安裝人員發揮聰明才智，對吊裝設計、裝配流程、配合工藝等每個步驟、每道工序控制十分嚴格。

　　 精確的物理設計、周到的工藝設計和完備的預案，使得磁絕緣傳輸線一次安裝成功，首次通電即獲得了理想的工作狀態，這對我國的超高功率密度能量傳輸系統的設計，具有標誌性的意義。

　　 聚龍裝置的每一個分系統，都是其發揮強大作用所必不可少的組成部分。科研人員們歷經次次挫折與成功，傾灑無數心血與汗水，他們的智慧之光在一項項創新性成就中閃爍：6項獨創性技術達到了國際先進水平；獲得了多項部委級科技進步獎，50餘篇論文在國內外發表。

安裝於聚龍一號裝置靶區的單層鎢絲陣負載

　　 左1~3：單層鎢絲陣等離子體三個內爆時刻的X射線分幅圖像

　　 右1：典型鎢絲陣加載負載電流（黑）和X射線功率波形（紅）