2015年春，兰州的风沙未能阻挡住一群科研人的脚步，中国科学院近代物理研究所（以下简称近代物理所）四个研究中心的科研骨干齐聚一堂。项目总负责人、中国科学院院士赵红卫的话语，如同一颗投入平静湖面的石子，激起层层波澜：“国际重离子领域亟需一台低能量强流重离子加速器装置，存在多项重大物理与技术挑战，但我们要尽快建一台。”

超导离子源研制负责人、近代物理所低能粒子束技术中心主任孙良亭介绍，面对“低能区重大需求”与技术封锁的双重挑战，这支当时平均年龄仅31岁的团队，决定自主研发多功能、小型化低能量重离子装置，并取名“LEAF”，即“低能量强流高电荷态重离子研究装置”。

近日，该团队荣获中国科学院第六届科苑名匠。

“LEAF装置”科研团队。近代物理所供图。

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启航——冲破迷雾，挑战技术封锁

2015年，LEAF项目启动之初，便遭遇了“拦路虎”。

超导高电荷态ECR离子源是LEAF的核心部件，可生产电荷态高、流强大的离子。铌三锡材料又是超导离子源技术的“心脏”，是制造高场加速器超导磁体的必选材料。然而，当时国内在铌三锡导线绕制普通线圈方面，加工精度尚无法满足要求，更别说将其应用于复杂的超导离子源磁体制造中。

“我们原本计划与国际上其他实验室合作，共同攻克铌三锡超导离子源磁体技术。”孙良亭回忆道，“但不到一年时间合作戛然而止。”面对这一困境，团队成员没有丝毫退缩，他们深知，唯有自主钻研，才能打破困境。

为了加工出合格的线圈，团队成员将头发丝般粗细、薯片般酥脆的铌三锡超导线，按设计图密密匝匝缠绕700多圈，且误差精度控制在50微米以内，每一圈都容不得半点差错。起初，因技术经验匮乏，缠绕的线圈如同杂乱无章的麻线团，但经他们反复试错和优化改进，最终完成了高精度铌三锡线圈的加工。

线圈绕好后，新的难题接踵而至---如何检测线圈的技术性能？面对这一技术空白，团队成员发扬“小马过河”的精神，大胆推演、勇于尝试。他们通过无数次仿真试验，成功攻克了检测难题，在首次测试中就验证了自主研制的铌三锡超导线圈性能，用实际行动向世界同行证明了中国科研人的实力。

然而，超导磁铁的装配过程又出现新的挑战。如何控制其在强大电磁力作用下的应力分布，确保磁体结构的稳定性和可靠性，成为困扰团队的新难题。

“我们尝试多种方法和技术手段，效果都不理想。直到发现金属压力囊和键条（Bladder & key）技术的优势。”近代物理所高级工程师吴北民回忆道。

该技术是一种创新的异型超导磁体结构装配方法。通过金属压力囊（Bladder）和键条（key）的精确应力调控，将复杂的磁体结构装配起来。

“这项技术如同为超导磁体量身定制的‘紧身衣’，既能保证超导磁体在强大电磁力作用下的稳定性，又能灵活调整应力分布，满足不同实验工况。”吴北民比喻道。

在研制过程中，团队持续探索新的方法和工艺，对每一个细节都进行反复验证与优化。经历了无数次试验，最终成功地将金属囊的耐压能力从最初的两三兆帕提升至50兆帕，搭建起了高场超导磁体装配平台，并且运用先进的应力分析方法和应变检测技术，实现了超导磁体样机及整机的成功研制。

LEAF装置”中控室。近代物理所供图。

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加速——打造“离子”高速公路的极速畅想

离子从“发生器”中产生后，需进入“高速公路”加速。团队成功研制的连续波重离子RFQ加速器，如同在微观世界里打造了一条超级高速公路，能让二十万亿个离子同时起飞，奔向实验靶端。

然而，建设这条“高速公路”并非易事。过去，大多数同类加速器加速的重离子束只是“涓涓小溪”，而团队的目标是让重离子束形成“奔涌的大河”。为实现这一目标，他们如同交通规划师，重新设计离子运动的“路线图”，让电磁场更精准地“引导”离子；同时对加速器的结构优化，让离子束在高速运动时更“稳”，不易散开。

张周礼在2004年作为研究生初入研究所时，便肩负起RFQ加速器研制的重任。彼时，所内无人涉足这一前沿领域，他面对的是一片未知的空白。

“设计RFQ加速器时，我们遭遇重重挑战。它不仅要具备加速粒子的功能，还需实现束流的横向聚焦与纵向团聚，三大功能要集于一体，难度极大。”张周礼回忆。为攻克技术难关，赵红卫聘请了一位来自美国的资深专家作为导师，引领他深入探索RFQ加速器的奥秘。

初入此道，张周礼心中满是疑惑：“为何一定要执着于RFQ加速器的研究？”导师说：“你有所不知，RFQ加速器虽体积不大，能量也不算高，但其功能之强大、结构之复杂，却是其他加速器难以比拟的。它是最具挑战性、最能激发科研热情、也最能带来成就感的科研项目。”导师的话，让张周礼豁然开朗，也更加坚定了他攻克RFQ加速器的决心。

在研发过程中，团队面临的最大挑战是如何实现高电荷态、高流强的束流加速。当时，国内外的研究大多集中在低流强领域，而张周礼立志要攻克20个毫安的高流强难题。

为实现这一目标，团队采用全新的动力学设计方案——均温法，最终成功克服高流强带来的技术挑战。

“这一技术突破的意义在于，未来这类加速器能更高效地为重离子科学研究服务，为先进材料、核能技术以及先进放疗等领域提供持续稳定的离子束。”孙良亭表示，就像从“间歇供水”升级到“全天候高压供水”，效率和实用性都大大提升。

“LEAF装置”科研团队。近代物理所供图。

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升级——调配“鸡尾酒束“，解锁科研新可能

在重离子应用领域，尤其是核能材料研究中，能够让不同重离子束像训练有素的车队一样精准配合至关重要。为此，团队给加速器安装了一套“速度调节器”，就像给高速公路设计了智能调度系统。

以往，一条车道只能跑一种车——单一离子束，如今，通过这套系统，能让3种不同的车——3种离子束，同时在一条车道上跑，还能通过调节它们的速度，让这些“离子车”齐刷刷到达终点。这种“多离子混合束”被形象地称为“鸡尾酒束”，能够满足更为复杂实验的需求。

离子源室副主任杨尧回忆，在研制过程中，项目团队攻克一个又一个技术难题。其中，DTL调能系统的研制尤为艰难。

“当时我们面临的最大挑战是如何在有限的时间内独立研制出射频腔体。在这个过程中，我们犯了很多错误，但也积累了宝贵经验。”杨尧向记者介绍道。

经过无数次试验与改进，项目团队成功研制出具有国际领先水平的DTL调能系统。该系统不仅实现对束流能量的精确调制，还同时兼顾了束流的高流强和稳定性。国际同行中，该装置在低能强流高电荷态等关键技术指标上均达到国际领先水平，特别是在束流强度方面，更是远超国际同类装置。

“有一次，设备在深夜出现故障，而我当时是唯一在场的人。那天是腊月二十九，快过年了。赵红卫院士特意赶来，我们经过大约两周的努力，成功解决了故障。这次经历不仅让我在业务能力上有了显著成长，更重要的是，它让我深刻体会到了责任感的重要性。”杨尧感慨地说。

孙良亭介绍：“我们的束流强度指标现在是国际之最，以氧离子束为例，国际指标大概在0.6毫安左右，而我们达到了1.1毫安。同时，我们还成功地将束流能散度水平提高了一个量级，为核物理学家们提供了更加精确、稳定的实验条件。”

目前，LEAF装置已成功通过了国家验收，为用户供束1.3万小时以上，为国内外60多个实验提供了丰富的束流，取得了一批重要的研究成果。

但项目团队并未停下前进的脚步。孙良亭表示：“一方面，我们将进一步优化装置性能，提高束流强度和稳定性；另一方面，我们将积极探索该装置在更多领域的应用潜力，如新材料的研发、放射性同位素生产等。”