年轻人徒手“搓”出大科学装置

2024-05-01 20:20:59 来源：光明网

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复旦大学邯郸校区的一个小院里，藏着一件“镇院神器”——上海电子束离子阱装置。之所以说它是“神器”，主要是因为这种相关领域全国唯一、全球也仅有8台的大科学装置，是几乎唯一一种可以稳定产生类日冕高温等离子体，从而开展太阳物理“天地联合实验”的装置。

中青报·中青网记者了解到，这个占据超过300平方米空间的“大家伙”，并不是买来的商业成品，而是由复旦大学核科学与技术系的教授和博士团队设计出一个个部件、组装起一个个螺栓，用10多年时间一点一点徒手“搓”出来的。

“最早的时候，它是我们系为军工研究建立的一个装置。随着我国科技的发展，现在我们用它来做更多的拓展性研究。”复旦大学核科学与技术系副教授杨洋参与了这台实验装置的更新工作，是当时徒手“搓”机器的“四大金刚”之一——当时，4名与他年龄相仿的复旦核科研究生在项目首席科学家的带领下，历时4年多，升级建造了一台全新的超级电子束离子阱装置。

目前，这台巨大的机器可以用来模拟恒星表面星冕区域的特殊环境。它具有无可替代的优势——能在1立方厘米空间里，同时实现极高真空、超强磁场和最高1.5亿摄氏度以上的极限环境，而与之一壁之隔（1立方厘米之外）却是零下270摄氏度的超低温区域与之共存。可以说是宇宙中少有的方寸之间极限两重天的环境。

“这台机器的外延有8条各具功能的管道，这些管道都指向中间一个核心区域，也就大约1立方厘米的空间。我们就是在这1立方厘米里面模拟出宇宙中恒星表面星冕的环境。”杨洋告诉记者，这就是科学的魅力所在——为了研究某个问题，你可能需要在数百平方米的大装置中构建出一块1立方厘米的特殊空间，并在这个极限小空间里做实验、取数据。

杨洋介绍，当时这台装置中的许多模块，都是全国首创。既买不到现成的成品，也没有国外经验可以借鉴。这台装置的“一砖一瓦”都要靠师生自己设计图纸、找工厂来加工制作。“四大金刚”的一个重要工作，就是到工厂去蹲点，和工人师傅一起，一点一点把某个需要的零部件，通过工艺上的不断打磨，加工和制作出来。零部件回来后，还要学生们自己动手安装到这个装置上去。

安装过程本身，也会面临各种问题。有一次，在安装一个零部件时，一个密封件意外断裂了，关联的一个紧固螺栓掉落了。这个螺栓恰好滚落到了1立方厘米这个关键部位附近。

杨洋说，一个小螺栓的出现，很有可能导致实验的彻底失败，“我们需要营造的空间具有一个超强的均匀磁场，一个螺栓就会极大改变局域的磁场环境，让努力前功尽弃”。

按常规方法取出这个螺栓，就要把整个已搭建得差不多的装置拆了重装，而看上去像“锅炉罐”装置，光核心区就有五六层之多。同学们大致算了一下，拆装的时间在1年以上。为了把这枚螺栓取出来，一群博士生和教授聚在一起琢磨了两周时间。最终，他们采用“吸尘器大法”安全地把螺栓取了出来。

这种方法虽然类似吸尘器，但对吸力要求很高，并且由于管道弯曲复杂，仅能容纳8毫米直径的吸管进入，且螺栓不能直接从管里吸出来。为此，复旦师生们采用了无油涡旋干泵和高强PVC管，并自己加工了转接接口。但螺栓的滚落位置又太深，无法目视定位。于是，几个同学又想办法买来了做手术用的柔性内窥镜，就像做手术一样，双人配合操作这个内窥镜与吸管，七拐八绕之后，成功把螺栓吸在了吸管口，并安全取了出来。

杨洋告诉记者，在建造全新仪器装置的“搓机”的过程中，“意外”是一种常态。每一次“意外”，都考验着师生们解决问题的能力和水平。

比如，这台机器要营造零下270摄氏度以下的低温环境，不可避免地要用到液氦这一国家战略资源。我国本身没有大量的含氦矿储量，科研机构和医疗机构使用的液氦基本都要从国外进口。但因为这是全球稀缺的不可再生资源，买起来也并不容易。

“有一阵子，外国公司突然停止销售液氦给我们。”杨洋说，这时候复旦核物理团队就必须考虑“自力更生”。他们自研了一套液氦回收系统，让液氦池储量不仅实现了“零蒸发”，如果注入氦气还能实现负蒸发而凝结出液氦，从而大大降低了大装置对液氦资源的依赖。

“就像电影《沙丘》里弗雷曼人都穿着一件蒸馏服，专门用来吸收并转化人体排出来的水分一样，你可以想象，我们的机器也有一件这样的‘衣服’，它可以让我们的液氦实现零蒸发。”杨洋说，复旦核物理团队研发的这套系统可以实现“液氦注入一次就可以在整个实验周期内一直有”。

杨洋说，“手搓”一台大科学装置，看上去很辛苦、很费脑细胞，但在这一过程中，也能帮助学生甚至一个领域诞生很多新的想法。比如，前述液氦回收系统后来就被应用在工业领域，一些参与该项目的年轻人也由此获得灵感进行创业，“一点一点地累积新技术、新办法，从小小的萌芽变成大大的产业。复旦给的这个鼓励年轻人动手‘搓’装置的平台和机会，对我们来说十分珍贵”。