一进入7月，北京的天气似乎一下驶入了升温“快车道”，连续的闷热让人几乎喘不过气。然而此刻，在京郊的原子能院串列加速器升级工程部，一群科研人员正陷入夜以继日的忙碌，比起暑热带来的身体不适，他们更为关心的是异常天气中即将实现出束的“100兆电子伏质子回旋加速器”竟然出了“状况”，导致状态不稳定。

“直到7月4日早上，我们还在进行紧张地调试，不能完全确定是否能如期出束。” 100兆电子伏质子回旋加速器总设计师张天爵这样告诉记者。所幸的是，当日上午9∶46，在各方领导、专家以及相关媒体的见证下，伴随着出束指令发出后，主控室屏幕上显现的荧光靶上瞬间出现一道蓝色的光斑，这台世界先进的质子回旋加速器首次实现调试出束。这台加速器可将质子加速至接近一半光速，产生强大的能量，从而开展大量的核物理基础实验及多个领域的应用研究工作。

对光速追逐的本身就足以让人兴奋，而追光背后的技术升级之路却更值得深思。

尖端，再尖端

“我国将成为少数几个拥有新一代放射性核束加速器的国家”

质子是构成原子核的微观粒子之一，在电场的作用下可以高速运动达到极高的能量。回旋加速器是目前世界上进行核物理研究的重要装置，它利用带电粒子在磁场中行进时会发生偏转的原理，让质子这样的带电粒子在加速器里进行回旋运动，通过电场作用这些粒子会被不断加速，最终像子弹一样轰击到靶标上产生核变。

质子回旋加速器的原理就是这样简单，然而它所产生的核变对于核物理科学研究的意义却不可小觑。据记者了解，上世界50年代中国原子能科学研究院建成了我国第一台回旋加速器，大量支撑原子弹、氢弹研发的基础实验得以展开，取得了一大批关键性数据；上世纪70年代，这台回旋加速器被改建成我国第一台等时性回旋加速器，可用于卫星的材料效应研究，为低能核物理实验和我国“卫星上天”事业做出了可圈可点的贡献；上世纪90年代，我国第一台强流紧凑型回旋加速器在这里研制成功，用于批量生产放射性同位素，促进了我国核医疗技术的长足进步，完成了我国医用同位素生产技术的一次“更新换代”，1996年被两院院士评为“中国重大科技事件”。

“每次升级都取得大批科研成果，而此次‘第四代’——100兆电子伏质子回旋加速器有望支撑国防科技、生命科学、材料科学等多学科领域取得突破性进展。”张天爵坚定地告诉记者，明、后两年即将迎来该加速科技成果申报的高峰期。

在成功调试到理想状态后，有望在这台加速器上建成我国核科研领域中的第一台“白光中子源”——它是国防科技领域应用研究的关键装置之一；有望在这台加速器上建成多套质子辐射装置研究宇航材料和生物效应；这台加速器还有望促成新核素的合成，使基于ISOL的放射性核束流物理研究在国内首次开展，使宇宙大爆炸关键反应链的研究成为可能，总之，那些核基础物理研究领域内处于前沿地位的“不解之谜”可能被逐步解开；最接地气的是，这台加速器还可以开展核医学与放射医学方面的应用研究，有望在癌症的早期诊断与治疗的研究方面取得重大突破。

为多学科尖端技术的突破创造空间，身兼这样的职责，“100兆电子伏质子回旋加速器”的研发技术绝对可称之为“尖端中的尖端”。

大胆，再大胆

“鱼和熊掌要兼得”

安装在洁净厂房中的100兆电子伏质子回旋加速器，其直径6.16米，重量475吨，看上去扁扁的，像是一个大罐子。从外观来看，它只是一个简单的超大“铁疙瘩”。

但简单外观的背后，它的“内涵”可绝不简单：它是国际上最大的紧凑型强流质子回旋加速器，也是我国目前自主创新、自行研制的能量最高的质子回旋加速器。它的研制成功表明了我国掌握并发展了强流质子束流动力学理论、特大型超精密磁工艺技术、大功率高稳定度高频技术、大抽速低温真空技术等一批质子回旋加速器核心技术——这些，使我国毋庸置疑地跨入强流回旋加速器国际先进前列。

虽然这些令人瞩目的科技成果今日看来的感受是“灿烂夺目”，可如果你将时间之钟往回拨到2004年，100兆电子伏质子回旋加速器的设计方案刚刚抛出之时，恐怕你的心头只会涌现四个大字“胆大妄为”。

这是一份高难度的设计方案：它必须要解决前人都没有很好解决的两大矛盾——紧凑型和高流强之间的矛盾、高功率和高稳定度之间的矛盾。

当时国际上紧凑型（小体积）回旋加速器能量最高仅达到30兆电子伏。紧凑型回旋加速器结构简单、设备可靠、运行方便、建造和运行费用低，优点突出，但能量从30兆电子伏到100兆电子伏的跨越，技术困难也十分突出，设计部通过广泛的国际技术交流和前期深入研究，决定将100兆电子伏回旋加速器设计为紧凑型。虽然这在当时算开风气之先，但随后，法国、意大利、加拿大、美国、韩国、南非等国均提议设计、建造中等能量的紧凑型强流回旋加速器证明了这一思路的正确性和前瞻性。

为了实现“既高强流且高稳定”的理念，100兆电子伏回旋加速器设计方案突破了能量70兆电子伏以上的回旋加速器均采用螺旋扇或分离扇的国际惯例，首次采取直边扇，降低主磁铁、高频腔、径向靶等主要设备的工程难度、从而达到了系统的高稳定性，且实现了强聚焦，以获得高流强。

“这个方案既要紧凑型，节省建造费用和运行费用，提高稳定性和运行效率；又要强聚焦、获得高流强，且实现双束流引出满足多用户的需求。鱼和熊掌要兼得，所有的压力都放在技术创新上了。”张天爵这样告诉记者。

国际知名加速器专家Rubbia教授在意大利ENEA的小组当年曾给出评价：“迄今为止，没有建造过这种类型的加速器。”

目标设定得越高，奔赴目标的路程无疑就越难。为什么选择这么艰难的一条路？面对记者的问题，张天爵沉思了很久却没有直接回答，而是突然展颜一笑：“我很幸运，不是么？”

对于尖端科技的研发而言，如果都没有勇气去大胆想象，那么哪里来的成功的可能！

精密，再精密

“400多吨的磁铁，安装精度小到零点几个毫米”

2011年10月8日，100兆电子伏回旋加速器的主体磁铁运抵原子能院。这块主磁铁直径6.16米，重435吨，被评审专家称为是纯铁铸造界和回旋加速器界的“天下第一大饼”。因为这个“天下第一”，让加速器研发团队历经了一个又一个技术难关：百吨级的磁铁，加工、安装精度小到0.05毫米；磁铁相对墙上靶标的实际安装精度达到高度方向0.10 毫米，方位角方向0.20 毫米；这样大的磁铁要完全在真空条件下进行完整的磁场测量和垫补在国际上尚属首次……

仅就“真空”一项，对于主磁铁的安装调试而言也绝非易事。不仅仅因为体积庞大，由于100兆电子伏强流质子回旋加速器的结构为紧凑型直边扇形，这种类型的加速器为自屏蔽式，中间没有通道，磁气息小，测量困难。而且加速器大约有几百个孔，真空要想达到要求的“几乎不能有一丝空气”的标准非常困难。这场“面对空气”的战争从2012年11月开始持续到2013年8月，克服大型铸造材料、大量设备安装在主真空室内、大量多种类贯穿件等困难，实现高真空要求，实现真空条件下测磁，经过反复测量和垫补，磁场才达到要求，又是一轮“攻坚战”后，在11月12日，磁场和真空均达到高指标。

主磁铁安装的同时，高频系统的安装也在铺开。“一台高频机的功率可与省市电视台的发射机相比拟，所以哪怕只是泄露一点点，就会造成重大影响，最好理解的就是整个地区的电磁信号都受干扰、电磁接收设备都无法使用。那对加速器的研发而言就是毁灭性的打击，真正的‘功亏一篑’，所以必须用‘铜墙铁壁’来把电磁信号、辐射射线都屏蔽起来。”张天爵解释。

精密再精密，这就是一支科研团队几十年如一日的工作信条。从30兆电子伏到100兆电子伏的跨越，张天爵有一个笔记本，用到现在已经10多年了。上面是设计方案最初设定时，按照回旋加速器的10多个专业，清理出的思路，列出了核心技术的清单。每项核心技术，延伸出一系列的关键技术和工程方案，急待解决的问题……所有这些无一不精准地记录在案。“不能出一丁点错！”这是张天爵对自己工作的要求。（杨阿卓）

研发者说

当面对未知……

7月27日，张天爵的微信闪现了一条“出发了。很多年来，头一回外出不带电脑，不收邮件了。CA1297”。之后，陷入了短暂的沉寂——多年忙于科研的他终于有了一个短暂的假期。此前，他的微信多半都是凌晨时分发送的：“串列加速器升级工程主厅出束的最后一件工作……”、“为五一节后出束做最后准备。压力最大的时刻，可能是最激动人心的时刻，也可能是最黑暗的时刻”、“终于收工了”。“我会把一些工作中的进展、技术困难的预感通过发微信的方式记录下来。”张天爵说之所以随时写下这些“微言微语”是因为用这种方式记录各个关键环节的进展、担心、压力，而且“时间成本很低”。

在100兆电子伏质子回旋加速器首次出束成功后，张天爵带着重重的黑眼圈接受记者采访。谈到多年从事核物理基础科研的感受时，他表示：“从事大科学工程的建设，对人生而言是一项风险极高的投资，有可能投入一生而颗粒无收。如果人一辈子有效的工作时间是40年，那么，我的75%的时间，已经过去了。”

100兆电子伏质子回旋加速器项目，从1994年第一本正式的项目建议书编制，到2004年国防科工局批复可行性研究报告，刚好10年；从2004年获得批复开始建设，再到如今调试出束，形成初步的科研成果，又一个10年。

“建造大型科学工程，首先需要有技术能力、有前瞻性的眼光，但更需要有承压能力、有锲而不舍的精神。”张天爵始终认为在基础科研领域开展研究，“坚持”二字尤为重要。“当你指挥整个团队，多少人、多少年为之奋斗时，自己内心却很清楚，在前面等待我们的不知道是什么结局。”这是美国布鲁克海文国家实验室的翁武忠先生在一次国际会议上对张天爵说的一番话，他感触颇深。“完全自主创新的大型科学工程有太多的未知数，在没有建成之前的一天，就不敢说工程成功，这种常年的心理压力，只有经历过，才有体会。”

全球回旋加速器“族谱”

美国

世界上第一台回旋加速器由美国人劳伦斯，于1929年在柏克莱加州大学发明，并于第二年制成。它直径仅有十厘米，但却向人们打开了了解微观粒子奥秘的大门。劳伦斯因此获得了1939年诺贝尔物理学奖。

加拿大

当今世界个头最大的回旋加速器，属于加拿大国家粒子物理实验室，直径长达21.6米，重量达4200吨。

瑞士

产生粒子束流功率最大的加速器，在瑞士联邦科技大学下属的保罗谢尔研究所，直径仅3公尺半，能产生的束流功率高达1.4兆瓦，相当于目前一个标准光伏电站的功率。它的设计用了三年，建设了三年，调试时间为十年。

日本

日本理化研究所的超导回旋加速器，可将重离子加速到光速的70%。制造阶段是五年，前面还有设计阶段。

中国

我国于1996年5月9日自主研制了首台国产回旋加速器，由中国原子能科学研究院研制成功。