2015年春，蘭州的風沙未能阻擋住一群科研人的腳步，中國科學院近代物理研究所（以下簡稱近代物理所）四個研究中心的科研骨干齊聚一堂。項目總負責人、中國科學院院士趙紅衛的話語，如同一顆投入平靜湖面的石子，激起層層波瀾：“國際重離子領域亟需一臺低能量強流重離子加速器裝置，存在多項重大物理與技術挑戰，但我們要盡快建一臺。”
超導離子源研制負責人、近代物理所低能粒子束技術中心主任孫良亭介紹，面對“低能區重大需求”與技術封鎖的雙重挑戰，這支當時平均年齡僅31歲的團隊，決定自主研發多功能、小型化低能量重離子裝置，并取名“LEAF”，即“低能量強流高電荷態重離子研究裝置”。
近日，該團隊榮獲中國科學院第六屆科苑名匠。
“LEAF裝置”科研團隊。近代物理所供圖。
啟航——沖破迷霧，挑戰技術封鎖
2015年，LEAF項目啟動之初，便遭遇了“攔路虎”。
超導高電荷態ECR離子源是LEAF的核心部件，可生產電荷態高、流強大的離子。鈮三錫材料又是超導離子源技術的“心臟”，是制造高場加速器超導磁體的必選材料。然而，當時國內在鈮三錫導線繞制普通線圈方面，加工精度尚無法滿足要求，更別說將其應用于復雜的超導離子源磁體制造中。
“我們原本計劃與國際上其他實驗室合作，共同攻克鈮三錫超導離子源磁體技術。”孫良亭回憶道，“但不到一年時間合作戛然而止。”面對這一困境，團隊成員沒有絲毫退縮，他們深知，唯有自主鉆研，才能打破困境。
為了加工出合格的線圈，團隊成員將頭發絲般粗細、薯片般酥脆的鈮三錫超導線，按設計圖密密匝匝纏繞700多圈，且誤差精度控制在50微米以內，每一圈都容不得半點差錯。起初，因技術經驗匱乏，纏繞的線圈如同雜亂無章的麻線團，但經他們反復試錯和優化改進，最終完成了高精度鈮三錫線圈的加工。
線圈繞好后，新的難題接踵而至---如何檢測線圈的技術性能？面對這一技術空白，團隊成員發揚“小馬過河”的精神，大膽推演、勇于嘗試。他們通過無數次仿真試驗，成功攻克了檢測難題，在首次測試中就驗證了自主研制的鈮三錫超導線圈性能，用實際行動向世界同行證明了中國科研人的實力。
然而，超導磁鐵的裝配過程又出現新的挑戰。如何控制其在強大電磁力作用下的應力分布，確保磁體結構的穩定性和可靠性，成為困擾團隊的新難題。
“我們嘗試多種方法和技術手段，效果都不理想。直到發現金屬壓力囊和鍵條（Bladder & key）技術的優勢。”近代物理所高級工程師吳北民回憶道。
該技術是一種創新的異型超導磁體結構裝配方法。通過金屬壓力囊（Bladder）和鍵條（key）的精確應力調控，將復雜的磁體結構裝配起來。
“這項技術如同為超導磁體量身定制的‘緊身衣’，既能保證超導磁體在強大電磁力作用下的穩定性，又能靈活調整應力分布，滿足不同實驗工況。”吳北民比喻道。
在研制過程中，團隊持續探索新的方法和工藝，對每一個細節都進行反復驗證與優化。經歷了無數次試驗，最終成功地將金屬囊的耐壓能力從最初的兩三兆帕提升至50兆帕，搭建起了高場超導磁體裝配平臺，并且運用先進的應力分析方法和應變檢測技術，實現了超導磁體樣機及整機的成功研制。
LEAF裝置”中控室。近代物理所供圖。
加速——打造“離子”高速公路的極速暢想
離子從“發生器”中產生后，需進入“高速公路”加速。團隊成功研制的連續波重離子RFQ加速器，如同在微觀世界里打造了一條超級高速公路，能讓二十萬億個離子同時起飛，奔向實驗靶端。
然而，建設這條“高速公路”并非易事。過去，大多數同類加速器加速的重離子束只是“涓涓小溪”，而團隊的目標是讓重離子束形成“奔涌的大河”。為實現這一目標，他們如同交通規劃師，重新設計離子運動的“路線圖”，讓電磁場更精準地“引導”離子；同時對加速器的結構優化，讓離子束在高速運動時更“穩”，不易散開。
張周禮在2004年作為研究生初入研究所時，便肩負起RFQ加速器研制的重任。彼時，所內無人涉足這一前沿領域，他面對的是一片未知的空白。
“設計RFQ加速器時，我們遭遇重重挑戰。它不僅要具備加速粒子的功能，還需實現束流的橫向聚焦與縱向團聚，三大功能要集于一體，難度極大。”張周禮回憶。為攻克技術難關，趙紅衛聘請了一位來自美國的資深專家作為導師，引領他深入探索RFQ加速器的奧秘。
初入此道，張周禮心中滿是疑惑：“為何一定要執著于RFQ加速器的研究？”導師說：“你有所不知，RFQ加速器雖體積不大，能量也不算高，但其功能之強大、結構之復雜，卻是其他加速器難以比擬的。它是最具挑戰性、最能激發科研熱情、也最能帶來成就感的科研項目。”導師的話，讓張周禮豁然開朗，也更加堅定了他攻克RFQ加速器的決心。
在研發過程中，團隊面臨的最大挑戰是如何實現高電荷態、高流強的束流加速。當時，國內外的研究大多集中在低流強領域，而張周禮立志要攻克20個毫安的高流強難題。
為實現這一目標，團隊采用全新的動力學設計方案——均溫法，最終成功克服高流強帶來的技術挑戰。
“這一技術突破的意義在于，未來這類加速器能更高效地為重離子科學研究服務，為先進材料、核能技術以及先進放療等領域提供持續穩定的離子束。”孫良亭表示，就像從“間歇供水”升級到“全天候高壓供水”，效率和實用性都大大提升。
“LEAF裝置”科研團隊。近代物理所供圖。
升級——調配“雞尾酒束“，解鎖科研新可能
在重離子應用領域，尤其是核能材料研究中，能夠讓不同重離子束像訓練有素的車隊一樣精準配合至關重要。為此，團隊給加速器安裝了一套“速度調節器”，就像給高速公路設計了智能調度系統。
以往，一條車道只能跑一種車——單一離子束，如今，通過這套系統，能讓3種不同的車——3種離子束，同時在一條車道上跑，還能通過調節它們的速度，讓這些“離子車”齊刷刷到達終點。這種“多離子混合束”被形象地稱為“雞尾酒束”，能夠滿足更為復雜實驗的需求。
離子源室副主任楊堯回憶，在研制過程中，項目團隊攻克一個又一個技術難題。其中，DTL調能系統的研制尤為艱難。
“當時我們面臨的最大挑戰是如何在有限的時間內獨立研制出射頻腔體。在這個過程中，我們犯了很多錯誤，但也積累了寶貴經驗。”楊堯向記者介紹道。
經過無數次試驗與改進，項目團隊成功研制出具有國際領先水平的DTL調能系統。該系統不僅實現對束流能量的精確調制，還同時兼顧了束流的高流強和穩定性。國際同行中，該裝置在低能強流高電荷態等關鍵技術指標上均達到國際領先水平，特別是在束流強度方面，更是遠超國際同類裝置。
“有一次，設備在深夜出現故障，而我當時是唯一在場的人。那天是臘月二十九，快過年了。趙紅衛院士特意趕來，我們經過大約兩周的努力，成功解決了故障。這次經歷不僅讓我在業務能力上有了顯著成長，更重要的是，它讓我深刻體會到了責任感的重要性。”楊堯感慨地說。
孫良亭介紹：“我們的束流強度指標現在是國際之最，以氧離子束為例，國際指標大概在0.6毫安左右，而我們達到了1.1毫安。同時，我們還成功地將束流能散度水平提高了一個量級，為核物理學家們提供了更加精確、穩定的實驗條件。”
目前，LEAF裝置已成功通過了國家驗收，為用戶供束1.3萬小時以上，為國內外60多個實驗提供了豐富的束流，取得了一批重要的研究成果。
但項目團隊并未停下前進的腳步。孫良亭表示：“一方面，我們將進一步優化裝置性能，提高束流強度和穩定性；另一方面，我們將積極探索該裝置在更多領域的應用潛力，如新材料的研發、放射性同位素生產等。”
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