中國完成世界最先進加速器：美國人不一定想得到

　　2015年1月22日，神龍二號裝置國家級科技成果鑑定會現場。窗外，春寒料峭；場內，熱情涌動。

　　經過包括14位院士在內的鑑定委 員會的鑑定：中國工程物理研究院流體物理研究所“成功研製了世界上首台兆赫茲重複率猝發強流多脈衝直線感應加速器”。“該項目系統複雜，研製難度很大，有 重大創新，總體技術處於國際先進水平，部分重要指標國際領先。神龍二號研製成功是直線感應加速器和我國尖端武器閃光照相技術發展中的一個重要里程碑！”

　　中國工程物理研究院（以下簡稱中物院）流體物理研究所是從事國防尖端武器研製的科研單位，科研人員歷經十餘載坎坷征程，終於研製出世界最先進的多脈衝強流加速器——神龍二號。

　　世界驚嘆“中國龍”，創新助力強國夢。神龍二號的成功，受到國際國內同行的高度評價：

　　神龍二號是世界第一台兆赫茲重複率猝發多脈衝高功率感應加速器！

　　神龍二號從設計思想到技術突破完全是獨創的！

　　神龍二號多脈衝感應加速器技術的突破被國際同行專家評價為：“確實代表感應加速器領域重大新成就”！

　　神龍二號是直線感應加速器和我國尖端武器閃光照相技術發展中的一個重要里程碑！

　　“火眼金睛”

　　在內爆流體動力學實驗過程中，僅僅百萬分之幾秒的時間內發生快速和巨大的物理化學反應，爆炸區域的物質溫度達到幾十萬攝氏度、壓力驟然升高至百萬大氣壓以上，所形成的高壓衝擊波以每秒幾公里至十幾公里的速度傳播，實驗材料的形狀、密度等產生極為複雜且劇烈的變化。

　　作 為揭示內爆過程的“火眼金睛”，直線感應加速器閃光X射線照相設施在認識武器內爆物理規律和校驗武器設計過程中占據了極為關鍵的地位。它的工作原理類似於 醫院的人體X光透視照相，只不過這裡照相的對象不是靜止而柔軟的人體，而是利用加速器產生的高強度脈衝X光，穿透厚度相當於數十厘米鋼的緻密材料，對其內 部以大於10馬赫超高速運動的材料內亞毫米細節及其變化進行高精度的瞬態透視照相。

　　在精密的實驗室流體動力學實驗能力建設中，必須通過內 爆閃光X光照相認識武器內爆規律，獲取可靠有效、精度足夠高的實驗數據，以此來檢驗武器的理論設計模型、修正數值模擬的模型，再進一步開展實驗。這一過程 經過反覆迭代，才能夠達到有效提升武器的設計水平和綜合性能的目的。

　　為更進一步精密可靠地研究武器規律、校驗武器設計，就要求閃光X射線 照相設施對武器高速內爆過程不僅“能拍”，還必須實現“超高速連拍”。如同對着奔跑的運動員，若只拍一張照片，獲得的只是其某一時刻的靜止狀態；如連拍數 十張，則能完整反映出運動員的肢體運動狀態；而且運動速度越高，要拍攝出清晰照片，就要求相機的快門速度越快、曝光量越大。相比人類的運動過程，內爆流體 動力學過程的速度和複雜程度何止高出千倍，實現對其動態捕捉，就要求直線感應加速器閃光X射線照相設施產生的X光必須足夠強，才能穿透厚度相當於數十厘米 鋼的緻密材料；而且X光脈衝必須非常短，即曝光時間約億分之一秒，以減小運動模糊；而且要在百萬分之一秒內實現多幅照相即連拍；同時要求X光焦斑尺寸足夠 小，才能夠得到清晰照片，對於被拍物體內以每秒幾公里到十幾公里高速運動的內爆過程，所得的X光圖像界面需達到亞毫米的精度；X光脈衝的產生還需具有極高 的定時精度，在動態過程中任一特定時刻照相，實際拍攝時間與設定時間的誤差不超過億分之一秒！

　　這堪稱是世界上最強大的X光照相機！各核大國數十年來均致力於追求擁有這一閃光照相能力。

　　使命使然

　　早自上世紀70年代起，中物院各級領導和流體物理研究所直線感應加速器研究團隊幾代人，就一直向着這座世界巔峰艱難而執着地攀登。

　　由 於直線感應加速器研究團隊從事的是國家戰略武器相關的研究，這方面的技術國外對我國是嚴密封鎖的，只能依靠自力更生，自主創新！從關鍵單元技術攻關、關鍵 材料和器件研製開始，他們篳路藍縷、無私奉獻，攻克了眾多關鍵科學、技術和工程問題。在這一級級台階上，他們傾灑無數汗水與心血，踏下了深深的輝煌足印。

　　從 上世紀70年代末期至1993年，他們從零開始，成功研製出我國第一台用於武器縮比裝置閃光照相的10MeV直線感應加速器，達到當時國際先進水平，獲國 家科技進步獎一等獎，實現了我國直線感應加速器閃光照相實驗能力從無到有的跨越。之後通過升級到12MeV，使我國擁有較為先進的閃光照相能力並成功用於 武器閃光照相實驗，為某新型武器關鍵過程的設計判斷提供了重要實驗圖像和信息。1996年，兩彈元勛王淦昌院士視察10MeV直線感應加速器實驗室時欣慰 不已，並親筆題詞：“繼續努力，必須超過美國！”

　　2003年，我國第一台武器內爆全尺寸裝置精密閃光X光照相實驗設施神龍一號研製成功！ 榮獲了2005年度國家科技進步獎一等獎。這使我國閃光照相能力躍上一個新台階，首次實現武器全尺寸裝置精密閃光照相；在成功進行的大型閃光照相實驗研究 中，獲得了清晰的圖像和精確數據，為我國武器綜合性能的提高和新型武器的研製發揮了重要作用。

　　成功永遠都是追求者的墊腳石。神龍一號研製 成功後，為滿足我國國防研究的需要，直線感應加速器研究團隊又踏上了邁向更高目標的征程。他們開展了更進一步的細緻分析：由於此前的直線感應加速器只能產 生單個脈衝，每一次武器閃光X光照相實驗，只能獲得實驗產品內爆過程在指定某一時刻的圖像。想了解產品在整個內爆過程中的情況，就只有加工多發完全一模一 樣的產品並進行多次實驗。採用這種方式所獲得的多個時刻的圖像信息進行數值模擬校驗，其前提是理想化地認為每一發產品本身和實驗過程均完全相同，多幅圖像 之間才具有對比性。但實際上產品在生產加工、工藝處理和裝配等過程中不可避免地存在差異，此外實驗時的複雜環境和實驗過程，使武器在內爆壓縮過程中亦產生 不對稱性現象。失之毫釐，謬以千里，小小誤差都會極大影響實驗數據的有效性和對內爆規律的分析掌握，甚至影響武器設計成敗及威力。

　　為了從根源上解決這一問題，就必須研製出高精度多幅閃光X光照相設施，實現對同一內爆流體動力學過程的動態精密診斷。瞄準這一目標，直線感應加速器研究團隊發起了新的衝鋒——研製多脈衝加速器神龍二號！

　　創新超越

　　本世紀初，國家設專項研製神龍二號，其目的是用以產生3個間隔數千萬分之一秒的X光脈衝，每個脈衝指標等同神龍一號，這就要求直線感應加速器以百萬赫茲重複率輸出多個強流束脈衝並聚焦到同一點打靶。

　　當 時世界上還沒有成功的先例——從未有任何設備獲得過指標為幾百萬赫茲、數十億瓦量級的高壓多脈衝，因為決定脈衝產生的關鍵部件是高功率開關，而目前世界上 還沒有能同時工作在幾百萬赫茲、數十億瓦量級功率的高功率開關。這對直線感應加速器研究團隊提出了前所未有的挑戰，研製難度極大，堪稱高峰仰止。

　　如 何實現多幅閃光照相？核大國數十年來一直為之殫精竭慮。由於無法解決幾百萬赫茲、數十億瓦量級的高壓多脈衝產生難題，英國計劃用數台單脈衝加速器從不同的 角度實現多幅照相。這樣的路線技術風險低，但所獲得的多幅閃光照相數據不是同軸的，無法滿足武器研製需要。上世紀90年代，美國正在研製的DARHT- II裝置則用加速一個2微秒的長脈衝來規避多脈衝產生難題，因為這樣加速器的開關只需工作在單脈衝狀態，這實際上是一台單脈衝加速器。其設計思想是先產生 和加速長脈寬的單脈衝，在打靶前通過將90%的電子束偏轉掉，剩下四個約50納秒短脈衝分別打靶，實現多幅照相。其缺點是效費比低、造價高；同時，這幾束 短脈衝的時間間隔完全受限於單脈衝的總脈寬，間隔幾乎不可調整。

　　在進行總體技術路線論證時，經過綜合考慮，項目負責人鄧建軍獨創性地提出 了基於單脈衝開關產生高功率多脈衝以及感應加速腔磁芯“多次勵磁、一次復位”的設計思想，產生三個脈衝間隔獨立可調的短脈衝分別聚焦打靶，在不同時刻產生 高能量的X光進行同軸多幅閃光照相。該方案能夠圓滿解決同軸多幅和脈衝間隔可調的精密閃光照相難題，得到時任中物院副院長丁伯南院士的大力支持。

　　與 美國DARHT-II相比，我國神龍二號設計方案突出的優越性在於：三個短脈衝是完全獨立產生的，脈衝間隔獨立可調，實驗中可以根據具體的武器物理需求， 獲得不同時刻的內爆實驗物理圖像；同時，其束流利用效率高，幾乎達到100%，造價只是DARHT-II的約五分之一。

　　曾有某些專家質疑：“美國都沒採用這種方法，說明它可能不行。”對此，鄧建軍自信地回答：“美國人想不到，不代表我們也想不到；我們想到的，美國人不一定想得到！”

　　這一巧妙大膽、卓越先進的創新設計思想，是中國人智慧火花的靈光乍現，更是理論與實踐的厚積薄發。

　　集智攻關

　　走前人從未走過的路，所面臨的必將是荊棘密布、險灘處處。曾有科研人員戲稱神龍二號的研究是從“一窮二白”中起步：“一窮”——技術儲備極為薄弱；“二白”——總體設計方案前所未有，關鍵技術難題前所未遇。然而，他們誓要“白手起家，無中生有”！

　　面 對重重技術難關，項目的技術負責人、流體物理研究所副總師章林文研究員積極策劃裝置的實現步驟，考慮各大系統之間的有機融合；加速器系統負責人、研究室主 任石金水研究員精心組織、攻堅克難；各分系統的負責人陳思富、夏連勝、李勁、代志勇、李勤、禹海軍、李洪、賴青貴、王敏鴻等思想活躍、衝勁十足，對新事 物、新理論有着特別敏銳的洞察和捕捉，創新的思維火花時時迸射出炫目的光彩。在項目研製過程中，團隊成員們數不清有多少次徹夜不眠的理論推敲與實驗測試， 也數不清有多少次風塵僕僕的奔波於協作單位之間，更數不清有多少次時而皺眉苦思時而驚喜萬分的發現與探尋。

　　兆赫茲重複率猝發多脈衝高壓產 生是多脈衝高功率加速器的最大難點，國際上也正是因為無法解決這一難題而只能走單脈衝加速器路線，鄧建軍率研究團隊提出了基於單脈衝功率系統和高壓脈衝隔 離網絡技術產生高功率多脈衝的設計思想——把三個單脈衝系統產生的高壓脈衝按照規定時序饋送到隔離網絡，再通過隔離網絡輸出三脈衝到感應腔。其中三組高壓 隔離二極管是關鍵，它們各司其職，其作用就像大門，精準而快速地控制三脈衝的通過與隔離。為了能夠有效屏蔽蘊含巨大能量的脈衝之間的相互干擾，高壓二極管 的性能指標與常用二極管相比高出成千上萬倍，當時國內協作單位面對如此苛刻的技術指標，曾驚呼：“這簡直不可能！”可直線感應加速器研究團隊就偏偏要將 “不可能”變為“一定能”。頻率、電壓、電流……瞄準各個參數指標，他們沉着冷靜，不急不躁，實驗、分析、設計、再實驗。和生產單位共同努力，他們把自己 的設計思想貫徹到每一道具體的生產工藝和環節，經過近十年時間的攻關和十多輪的試製和反覆實驗，一點點摸索，一項項改進，終於通過巧妙設計創新性地解決了 這一重大難題。

　　多脈衝間加速腔磁芯復位是裝置研製中所要解決的重大難題之一。時間間隔僅為千萬分之一秒的三個脈衝，脈衝間由於時間太短已 經來不及復位，傳統的“勵磁—復位”的循環工作方式行不通。如何勵磁？如何同時實現三個脈衝之間的復位？又一難題擋在了研製團隊面前，如果解決不了，就無 法產生多脈衝的加速電壓，實現不了多脈衝電子束的加速！鄧建軍率領團隊冥思苦想：既然脈衝間無法復位，能不能三個脈衝之後再一起復位？為此他提出了“多次 勵磁、一次復位”的大膽設想。但在沒有復位的情況下能否實現多次勵磁以及能否按照要求勵磁？沒有任何教科書或參考資料可以借鑑。鄧建軍和石金水帶領團隊首 先從理論上進行了可行性分析，接下來從低壓下開始做實驗；再逐步加大電壓、加大磁芯尺寸。為了使三個脈衝激勵到適合程度，又帶來加大磁通跳變量、提高加速 器鐵芯材料性能等一系列問題。他們摸着石頭過河，於激流中穩步前行，一塊塊攔路岩被他們成功搬開。

　　……

　　多項國際上極具挑戰性的重大難題，在直線感應加速器研究團隊的手下迎刃而解，他們先後榮獲數項部委級科技進步獎，在國際權威期刊發表文章數十篇。

　　千錘百鍊

　　如果說，裝置的研製是翻越千山萬水的高歌猛進，那麼裝置的調試則是跋涉溝壑泥沼的舉步維艱。

　　難，真的很難。

　　神 龍二號是世界上第一台兆赫茲重複率猝發多脈衝高功率感應加速器，絕大部分問題都是從來沒有遇到過的，都必須要靠自己闖出新路來。如此龐大的系統工程，極其 複雜的影響因素、撲朔迷離的物理規律，雖然建設過程中的每一項關鍵技術難題都圓滿攻克了，但最終組裝完畢的裝置能否成功運行？調試過程中會遇到什麼問題？ 對於這片空白領域，無人能夠回答。

　　在項目負責人和技術負責人的指導下，調試隊隊長石金水和副隊長李勁帶領隊員們和調試中的難題較上了勁， 不達目的誓不罷休。他們在運行的機器旁，凝注着、琢磨着，工作到半夜一兩點是家常便飯；甚至夜深靜臥的時候，腦子裡還在連軸轉，忽然間一個新想法闖入腦 海，就恨不得立刻翻身起床、奔赴實驗室。

　　調試過程中最棘手的就是絕緣問題，美國為解決長脈衝的絕緣問題足足花費了七年時間。神龍二號產生 的是三脈衝，同美國DARHT-II裝置的單脈衝相比，脈衝互相之間的電磁干擾影響更複雜。任何一個小細節的疏忽，都可能引起加速腔打火，嚴重時導致絕緣 材料的擊穿，使加速器無法正常工作。

　　為了解決三脈衝絕緣難題，研究人員耗費了大量的心血和時間，裝置拆了裝、裝了拆，把被擊穿的部件一個個分解開來，觀察損傷情況，從材料的生產工藝、加工過程、安裝情況等全過程查找問題、分析原因，不斷提出改進方案，再逐個通過實驗驗證進行排查。

　　一 次次改進，一次次調試；一個問題剛解決，新問題又不停出現；分段調試成功了，但裝置合龍之後又遇到新的困難。這些過程難免在調試團隊中產生焦躁情緒，極大 地磨鍊着他們的耐心。僅2013年3月15日那天，一次實驗就損壞了9根高壓電纜和6個高壓二極管，團隊成員們苦中作樂：“唉，‘3·15’果然是要求嚴 格啊！”作為調試隊隊長，石金水不停給大家打氣：“前面的實驗表示裝置曾有過正常狀態，那我們就一定能把它調得完全正常！”他的話給屢受挫折的成員們打了 一劑強心針，大家都說：“只要你有信心，我們就都有信心！”

　　成功登頂

　　一路攀登，交織着拼搏的艱辛與收穫的甘甜，融匯了成功的經驗和失敗的反思；一路汗水，凝聚着創新超越的靈犀，澆鑄出閃光耀目的豐碑——

　　2011年12月15日，神龍二號加速器主束線順利實現合龍！

　　2013年4月18日，神龍二號通電成功！

　　2013年3月27日，神龍二號加速器順利完成首次三脈衝打靶實驗！

　　2014年1月3日，神龍二號加速器多幅閃光X光照相系統成功進行了首次多幅閃光X光照相爆轟實驗！

　　2015年1月22日，神龍二號加速器順利通過了中物院組織的科技成果鑑定！

　　3000餘平方米的大廳中，長達百餘米的神龍二號加速器主體肅然靜臥，前方銀色的牌匾上，由2014年度國家最高科學技術獎得主于敏院士親題的“神龍二號”四個遒勁大字熠熠生輝。

　　“5、 4、3、2、1，觸發！”實驗現場負責人李勁一聲令下，巨大能量注入神龍二號裝置的“龍頭”，產生三個脈衝，在加速器主體內一級級加速，數千安培的電子束 團徑向尺度大幅壓縮，從碗口粗壓縮到針尖般細，精準轟擊在靶上，產生的X光輕而易舉地穿透厚達數十厘米等效鋼厚度的武器裝置。當多幅武器內爆不同時刻清晰 圖像躍然而出的時候，參與項目研製和實驗的所有人員都非常激動，熱烈的掌聲經久不息。辛勤的付出終於換來了成功的喜悅！也標誌着我國尖端武器閃光照相研究 進入了一個多幅照相的嶄新階段。

　　同時，神龍二號與十年前建成的神龍一號裝置呈九十度夾角安放，直線感應加速器研究團隊將之戲稱為“二龍戲 珠”，“龍尾”雙雙皆瞄準爆轟裝置。雙龍配合，吐出肉眼看不見的高能X光，可以進行准三維的閃光X光照相，即在一次閃光照相實驗中可獲得兩個角度四個時刻 的清晰內爆圖像和演變過程，大大提高了實驗效率和置信度，為解決關鍵物理問題提供了重要的實驗平台。

　　目前，世界上僅有中國和美國具備了同軸多幅和雙軸精密閃光照相能力。

　　神 龍二號的研製成功，是直線感應加速器和我國閃光照相技術發展中的一個重要里程碑，使我國成為世界上第一個掌握並研製成功兆赫茲重複率猝發多脈衝高功率加速 器的國家！標誌着我國尖端武器閃光照相能力實現了質的跨越，首次具備了雙軸多幅精密閃光照相能力，對我國新型武器研製、武器綜合性能提高具有重大的軍事和 科學意義！同時帶動了我國的光電子技術、半導體技術、磁性材料開發、圖像處理技術、加速器技術和高功率脈衝技術的迅速發展。

　　歷經數十年艱苦卓絕的奮鬥，我國直線感應加速器事業蓬勃興盛、一路凱歌。從最初的1.5MeV直線感應加速器到20MeV 直線感應電子加速器神龍二號，從縮比到全尺寸照相，從單幅到多幅，從單軸到雙軸……

　　落 後，趕追，超越！令世界矚目的創新成果和水平飛躍，是中國國防實力的傲然展示；前進途中的披荊斬棘、無往不勝，是中物院人“鑄國防基石，做民族脊梁”的真 實寫照。這支風華正茂的“鐵軍”——流體物理研究所直線感應加速器團隊，憑智慧與毅力為國防事業加速，一步步地體現了我國直線感應加速器從無到有，再到完 全創新的跨越式發展，開拓出了一條具有我國特色的強流脈衝直線感應加速器發展之路。