十六载束流逐光精神引领铸就领跑国器
十六载束流逐光 精神引领铸就领跑国器
2026年07月31日 07:25
团队在HIAF出束时留影。
■本报记者 叶满山
在粤港澳大湾区惠州滨海，一座占地500亩的“国之重器”静静矗立——强流重离子加速器装置（HIAF）束线总长两公里，6000余台大型设备、500万个零部件、150万米工艺管线在此有序排布。
从2008年构想提出，到2025年全线一键贯通出束，这个装置可将重离子加速至高能状态，产出全球脉冲流强最高的重离子束流，让科研人员在从探索原子核极限到合成新元素，再到支撑核能研发、航天辐照测试、重离子治癌等诸多领域取得进一步突破。
中国科学院近代物理研究所（以下简称近代物理所）科研团队跨兰州、惠州两地远征，跳出国外成熟技术老路，实现重离子装置从跟跑到领跑的跨越。这支攻关队伍以原创性突破为剑、精工细作为尺、同心协作为桥、报国惠民为初心，淬炼出原创拓路、精益求精、协同攻关、为国铸器的精神。
原创拓路，方案技术实现量级超越
“如果当年选择国外成熟保守路线，工程能稳妥按期交付，但我们永远只能跟在别人身后。想要真正实现领跑，必须咬牙走一条没人走过的原创道路。”谈及HIAF项目最艰难的抉择，近代物理所副所长、HIAF总工程师杨建成直言。
2008年，重离子加速器构想在研究所萌芽。彼时，国际主流加速器全部采用直流谐振加速模式，德国长期把持8赫兹快循环加速上限，全球行业默认跟随这条成熟技术路线，风险低、论证充分，是所有人眼中稳妥的最优解。
但杨建成带领团队反复推演束流动力学模型后，发现跟随路线存在难以突破的性能天花板，离子加速度只能小幅提升，无法满足我国新核素合成、航天辐照、医疗治癌多重国家重大需求。
“走别人的路线只能做到小幅超越，我们要做量级的突破，就必须从零搭建全链条自主体系。”杨建成下定决心，在工程尚未开工、多项核心技术未完成验证的双重高压下，敲定非谐振快循环加速+双平面束流堆积全套原创总体方案。
全新方案意味着全链条从零攻关，从束流物理、特种电源、高频磁体到整套操控系统，没有任何国外成熟经验可借鉴，每一步都要在技术空白区摸索。
团队青年骨干王磊深耕束流动力学方向，是2025年全线束流调试核心负责人。他向《中国科学报》回忆了那段持续仿真、反复调试的日夜：“传统单维度束流堆积如同只用一个小口往瓶子灌水，容器大部分空间无法利用，束流损耗极大。我们自主研发双平面堆积动力学模型，全方位填充加速器储存环，束流容纳效率直接提升一个量级。”
同样，在电源方向，团队也打破海外垄断。过去加速器高频系统核心部件磁合金环长期由日本日立公司独家供货，受地缘贸易限制，关键零部件禁售、技术封锁阻碍了国内加速器发展。
电源室青年骨干王晓俊是全程跟进10余年攻关的核心人员，从2016年第一台电源样机调试到2024年现场定型，他全程在一线攻关。
“初代数字控制器电磁兼容性能极差，大功率脉冲运行下通信频繁误码，整机无法同步，需要重新设计整套软硬件架构。”王晓俊坦言那段时间压力空前，一边从零设计硬件电路板，一边搭建全新软件控制逻辑，每天早会同步整个团队遇到的难题，拆分任务逐一破解。
团队自研三代数字控制器与全域时间同步器，采用万兆光纤通信，实现±10纳秒全域同步，大幅降低设备采购成本。
2025年10月，HIAF首轮束流调试创纪录：单环出束4小时、全线贯通16小时；氧离子调试20天达标，流强为国际同类2.5倍，经连续攻关，流强达国际最优值8倍。
精益求精，于细微处筑牢国器根基
一条自主原创的技术路线，是实现领跑的根基。想要这座“大国重器”稳定可靠运行，便不能有半分马虎，无数细微之处的极致打磨，才是装置长久屹立的底气。
“大工程最忌讳忽视细节，一处接线虚接、一条管线错位、一点隧道裂缝，前期不起眼的小疏漏，到后期调试阶段会被无限放大，有可能导致整套上亿元的设备瘫痪。”HIAF项目现场总工艺师王儒亮扎根滨海工地数年，在他眼中，0.1毫米是不可退让的施工“红线”，精益求精是每一名现场工艺人员的立身之本。
HIAF地下隧道深13米，地下水丰富、盐雾腐蚀极强。装置搭载大量精密电磁、真空设备，对隧道结构密闭性、平整度及施工精度要求极其严苛，微小裂缝、渗水都会直接损毁核心精密设备，导致装置失效。
“这类超高标准工况是常规民用建筑最高施工标准完全无法覆盖的，民用施工容错率高、工艺粗放的逻辑，完全适配不了高精尖大科学地下工程建设。”杨建成说。
项目初期，施工方沿用民用浇筑工艺，项目组当即叫停施工，组建专属工艺专班接管现场施工，严控混凝土低温浇筑、养护全流程标准，推行样板先行制度，每段隧道均经过72小时淋水试验。同时，对全场近1.5万处预埋件、安装孔逐一对尺校核，清零土建偏差，从源头保障精密设备精准装配，以远超民用工程的极致精度，筑牢装置运行基础。
电磁兼容是另一道隐蔽难题。加速器内同时存在兆瓦级大功率供电电源和毫伏级高精度弱信号探测设备，布线或屏蔽稍有疏漏，电磁串扰就会淹没束流探测信号。信号探测设备精度需要保持在5毫伏以内。2025年一次调试中，综合布线虽然严格按照工艺要求施工，但是测试过程中信号串扰严重。工艺团队逐段拆解整条线路，最终找到两处隐患：设备底部漏装专用屏蔽环，邻近大功率电源持续辐射干扰。仅这两处微小隐患，就让串扰值飙升至8毫伏，调试无法进行。
王儒亮说，此后，项目组建立三轮交叉复核制度，所有电磁设备上电前由3组人员分层核查正负极标识、接线紧固度、屏蔽完整性。这些经历表明，在大科学工程建设中每一个细节都关乎成败，没有“差不多”一说。
团队通力协作，使所有的大型设备从组装、就位到最终校验，全程精准对位，把整体安装误差控制在0.1毫米，实现发丝级超高安装精度。针对核心真空设备怕灰尘、怕污染的特点，团队采用分级洁净施工方式，先在高标准洁净车间完成设备预装，再到现场搭建可移动洁净棚，全程保持高洁净施工环境，保障装置稳定运行。
国际同类同等规模加速器常规安装周期往往长达2至3年，而HIAF仅用时8个月便完成了全部设备安装，创下全球同类装置建设最短工期纪录。“别人觉得我们速度惊人，其实背后是上万次细节核对、无数个通宵盯守，没有丝毫工艺妥协，才能实现质量与效率兼顾。”王儒亮坦言。
在团队文化里，“精益求精”不是一句口号，是落实在每一条线缆、每一块混凝土上的硬性要求。
杨建成说：“工艺标准必须成为每个人的习惯，宽松一点，后期就要付出百倍返工代价。”精益求精的精神，通过一次次现场巡查、一场场技术交底完整传承给青年科研人员。
协同攻关，实干护航稳定运行
体量庞大、体系复杂的重离子大科学工程，从来不是单人、单一专业能够完成的任务。跨地域、跨专业协同攻关，是破解重重工程难题的关键支撑。
其中，由近代物理所通用技术中心主任陈文军带领的团队是支撑整套装置建设运维的幕后“铁军”，统筹机械准直、冷却通风、高低压配电、辐射防护四大核心板块，承担着把物理科研蓝图转化为实体设备、保障装置长期安全稳定运行的重任。
自2019年启动场地测绘起，这支队伍最先扎进施工现场，多数人员常年异地驻场，不少员工每年出差300余天，顶着露天扬尘、连绵雨水艰苦作业，凭着拓荒精神开启漫长攻关路。
整套加速器两公里长束线错综复杂，超导直线加速器（iLinac）、能量增强器（BRing）等多段束线互不连通、无法通视，数千台磁铁安装误差要控制在0.05毫米，单一专业根本无从突破。
通用技术中心立刻整合机械、测量、软件研发人员组建联合攻关小组，所有人不分岗位，昼夜碰头研讨，依托数字孪生协同平台打通设计、加工、安装全流程数据。大伙轮番驻场校准设备，交叉复核每一组测量数据，硬是把传统毫米级安装精度提升至微米级。
解决装配问题的同时，如何保证稳定的运行环境是摆在团队面前的又一个难题。陈文军组织冷却、配电、辐射防护各班组同步联动攻关，在加速器运行产生巨大热量时，协同搭建成套水冷管路和智能监控平台，实时调控温湿度，为设备打造恒温洁净的运行环境。
此外，高低压供配电及电磁兼容至关重要，它们为加速器提供稳定可靠的“动力心脏”，确保其获得持续、高质量的电力供应，打造加速器动力核心。这需要同步规划强弱电管线布局，反复调试接地布线方案，最终把核心区域电磁噪声控制在1毫伏以内，建成具备中国计量认证资质的专业电磁兼容实验室。辐射防护、运维、安全管理人员全程协同，在装置全域布设辐射监测点位，搭建在线安全监测系统，施工、调试、运维全阶段联合排查风险，24小时轮岗值守，为全体工作人员打造安全铠甲。
陈文军表示：“HIAF能够顺利落地运行，依靠的是全系统上下跨专业、跨地域、跨岗位协同的力量。”
为国铸器，前沿与普惠双向奔赴
“重离子装置既要‘顶天’——冲击国际前沿，也要‘立地’——服务民生需求。我们研发先进技术的最终目标，是让科技成果惠及普通老百姓。”杨建成介绍，HIAF搭建起“基础前沿、国家战略、民生医疗”三位一体应用赛道，从元素周期表到医院放疗室，一束重离子承载多重国家使命。
依托这套硬核科研能力，我国能够自主研发全新超重核素、发现新的化学元素，有望在元素周期表上留下中国印记，补齐国内原子核高精度测量的技术短板，抢占全球核物理研究前沿阵地。
基础前沿科研的终极价值是落地应用、为民造福。依托HIAF核心技术底座，装置实现多领域跨界赋能，在商业航天中完成卫星芯片、各类元器件的太空抗辐射测试；在能源领域，提前布局未来清洁能源发展方向。
最贴近大众民生的是重离子医疗的产业化应用。惠州新一代重离子治疗装置的核心电源、束流控制技术均源自HIAF同源技术，仅做了小型化适配优化。目前国内医用重离子设备造价高昂，单套整体投资可达四五亿元，公立医院无力承担，民营投资、设备租赁等商业化模式也难以落地，成为医疗普惠的最大阻碍。
为此，团队定下长远攻关目标：突破全新重离子加速原理，将巨型加速器设备压缩至核磁、计算机断层扫描（CT）常规医疗设备大小。
“未来重离子治癌设备能像影像设备一样走进各地医院，普通患者不用远赴大城市，也能接受精准低副作用放疗，这是我们技术迭代的初心。”杨建成介绍，国家特批近代物理所成为国内首家具备医疗设备注册资质的事业单位，打通技术转化政策堵点。
16年风雨兼程，从黄河之畔兰州实验室，到南海之滨惠州现场，这支队伍将继续束流逐光，在基础创新、民生普惠、国家战略赛道持续突破，让中国重离子技术始终屹立于世界前沿。