超级机器第二十五集：神龙一号”加速器——核武器模拟试验关键设备
来源：大国梦强国梦
神龙一号”加速器——核武器模拟试验关键设备
工程总投资：———
工程期限：1982年——2005年
“神龙一号”直线感应加速器位于四川绵阳中国工程物理研究院，主要用于核武器流体动力学试验闪光X光照相，是中国自行研制的核武器模拟试验关键设备。有了这种设备，就可以在实验室进行模拟核弹头初级模型的内爆试验、校验巨型计算机的数值模拟计算程序，也就是采用实验室模拟 + 数值模拟，可以解决核弹头从原理设计到武器化、工程化的一系列问题，不用进行地下核试验就能进行新弹头的设计、评估核材料的老化效应以确保核武器的可靠性和安全性。 另外直线感应加速器还用来进行高功率微波和自由电子激光、重离子聚变研究。
1985年下半年，中国核武器研制元勋邓稼先被诊断患了癌症，这个时候他和于敏同志一起给中央写了一份非常重要的报告，他们估计到以当时的核武器水平，美国和苏联就有可能按照他们的政治需要会签署《全面禁止核试验条约》停止核实验，这对我们国家的损失太大了，所以他们根据我们国家的情况，建议加速模拟核武器试验关键设施的研制工作。报告交上去以后，中央对此非常重视，这对我国1986年以后的核武器发展起到了非常重要的作用。而几位两弹元勋把自己生命的最后全部贡献给了国家的国防事业。
这些都是地下核试验留下的坑洞，感兴趣的同学不妨用Google Earth看一下现场。
沙漠上的蘑菇云
1945年7月16日，巨大的蘑菇云团在新墨西哥州上空生起，人类历史上第一颗原子弹引爆成功。然而谁也没有想到的是，仅仅在20天以后，这一杀伤力巨大的新式武器就被运用到了正在进行的战争当中，为了迫使日本投降，美军在广岛和长崎先后投放了两颗原子弹。原子时代的到来结束了旷日持久的战争，然而人类的命运与世界和平却开始遭受更大的威胁与挑战。
第二次世界大战结束后不久，美国在海上核试验的成功再次给世界各国敲响了警钟。以美国和苏联为首的两大阵营之间，核军备竞赛愈演愈烈，原子弹的巨响使整个世界陷入了核恐怖之中。
1949年8月29日苏联首次原子弹试验，1952年10月3日英国首次原子弹试验，1952年10月31日美国首次氢弹试验，1953年8月12日苏联首次氢弹试验。
而苏联之所以能够在短时间内取得原子弹研制的突破，主要得益于间谍战的成果，一位在美国核武器研制基地工作的科学家向他们透露了大量研究资料。经过了这一泄密事件之后，美国及其同一阵营的国家对于原子弹技术采取了更为严密的保卫措施。此时，对于刚刚成立的新中国来说，别说核武器研制，就是"原子弹"这个词都很少有人知道。这个时候开创中国的核武器研究事业可谓困难重重。
我们的困难是多方面的，因为第一，大家不知道原子弹是什么，调了好多专家，他也不知道原子弹怎么做，所以资料非常缺乏，因此每走一步都要论证这条路线正确是非常之难的。老一辈科学家群策群力付出了非常大的努力。法国科学家居里曾经说过：反对核武器，首先要拥有核武器。中国发展核武器的一个根本的目的就在这里，使其它的有核国家不敢对我们使用核武器，为保卫世界和平做了我们自己的贡献。
1970年7月3日，法国在波利尼西亚阿莫土群岛的方阿陶法环礁（Fangataufa）试验场，进行的TN-60氢弹试验，代号Licorne，爆炸当量为91.4万吨
全面禁止核试验条约
核试验是发展核力量必不可少的手段，它为核武器的设计改进、生产定型、防护使用提供科学依据。核武器的极大破坏性震惊了国际社会，许多国家发出了禁止核试验的呼声，1976年5月，美苏签订了《和平核爆炸条约》。但从1977年到８０年代后期，美苏在全面禁试问题上尖锐对立。苏联为谋求核均势地位频频发起以全面禁试为内容的核裁军攻势，以图限制美国的核武器技术发展。美国则坚持反对全面禁试，并于１９８１年和１９８３年先后提出了全面加强更新核力量的“战略核武器计划”和“战略防御计划”。广大无核国家，包括一些西方无核国家，强烈要求缔结全面核禁试条约。９０年代，国际形势发生重大变化。苏联解体后，美国失去了核军备竞赛的对手；世界上开始出现一些接近掌握核武器技术的“核门槛”国家；美国等一些发达国家在核技术方面掌握了以实验室模拟核试验替代真实核爆炸的新手段。因此，美国对其核武器计划及禁试政策作了调整，于１９９３年７月宣布赞成早日开始多边谈判和早日缔结全面禁试条约。全面禁试条约谈判也就得以在１９９４年１月开始。由３８个国家（后扩大为６１国）组成了禁核试特委会，分成两个工作组负责各项条款的谈判。
1996年9月10日，联合国大会以158票赞成、3票反对、5票弃权的压倒多数票通过一项禁止所有核试验爆炸的全球条约——《全面禁止核试验条约》，并于１９９６年９月２４日，在第５１届联大上开放供所有国家签署。中国、法国、俄罗斯、英国和美国首先在条约上签字。至2000年3月，签约国有155个，批准该公约的国家有55个。
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的DARHT装置
直线感应加速器
直线感应加速器（LIA）：是20世纪60年代发展起来的一种新型加速器，其独特的能力是可产生非常强束流、非常高峰功率及高束品质的脉冲粒子束（电子束或离子束）。直线感应加速器产生的束脉冲重复频率低得多，但束流却高得多（例如可大于10kA），直线感应加速器是世界上现有功率最强大的加速器之一。至今，全世界共建成各类直线感应加速器100多台。
世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I, 由N. Christofilos发明，并于1963年在美国劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）建成。该加速器可提供束流350A、能量4MeV、脉宽300ns及重复率100Hz的脉冲电子束，用于约束等离子体，并在后续实验中用于研究电子束通过大气传输的可行性，远期目标是创造粒子束武器。之后，美国又陆续研制了用于加速质子的ERA加速器（4MeV、1kA、45ns）；用于自由电子激光（FEL）研究的ETA加速器（5MeV、10kA、60ns、1kHz猝发）、ATA加速器（50MeV、10kA、70ns、1kHz猝发）和高平均功率的ETA-II加速器（6MeV、2kA、70ns、5kHz准连续），同时，ETA和ATA加速器还用于带电粒子束通过大气传输的研究。FXR加速器（20MeV、2~4kA、60ns），这是直线感应加速器首次用于闪光X光照相。
原理如图：直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作，即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。加速器按指定时刻输出的电子束脉冲经聚焦透镜聚焦到高原子序数靶（钽或钨）上，通过韧致辐射产生脉冲X光对内爆中的模型进行透视，透射出的X光最终在图像探测器上成像，从而获得该时刻模型的内爆图像。为了防止加速器和图像探测器被模型内爆产物破坏，可采取保护措施或在爆炸容器内进行试验。
洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory, LANL) 。第二次世界大战期间，为了赶在纳粹德国之前研制出原子弹，美国战争部决定把欧洲和美国的优秀科学家集中到一个秘密地点从事研究，执行著名的“曼哈顿计划”。美国物理学家奥本海默选择了帕哈里多高原之巅的洛斯阿拉莫斯，这个小城镇的命运从此改变。１９４３年初，在原洛斯阿拉莫斯农场学校的基础上，实验室几乎在一夜之间建成。而在将近两年里，洛斯阿拉莫斯是个没有名字、不为外人所知的地方。如今的洛斯阿拉莫斯国家实验室占地１１０平方公里，拥有１万多名雇员，其中研究人员３５００名，拥有博士学位的达１５００人。洛斯阿拉莫斯实验室雇员的平均年收入加补贴达到７．６万美元，远远高于外界的平均水平。
由于当初美国政府把建设任务交给了加利福尼亚大学，洛斯阿拉莫斯国家实验室一开始就由加州大学管理并延续至今，但隶属于美国能源部。这一研究机构事实上是个实验室群，包括钚直线加速器、计算中心、材料科学研究中心和卫生研究实验室等，其中属于敏感和机密部门的实验室被铁丝网包围。它是新墨西哥州北部最大的研究机构和雇员最多的机构，有大约10,400名加利福尼亚大学雇员，以及大约2,800名合同雇员。实验室约三分之一的技术人员是物理学专家、四分之一是工程师、六分之一是化学和材料专家，其余的工作在数学和计算科学、生物科学、地质科学等其他学科。也有外部的专家和学生来实验室做访问研究工作。实验室联合大学和工业界进行能源方面的基础和应用研究。实验室年度预算约为22亿美元。第一任主任是奥本海默。洛斯阿拉莫斯是美国设计核武器的两个机构之一，另一个是劳伦斯利弗莫尔国家实验室(始于1952年)。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，简称LLNL）创建于1952年，位于加州旧金山以东65公里，利弗莫尔峡谷东南端。主要从事与核武器全寿期各阶段核装置设计相关的研究试验工作。另外，它还从事受控核聚变、激光核聚变、激光同位素分离研究和生物医学研究。LLNL占地254平方公里，其炸药试验场占地约27平方公里。共有328幢建筑，总资产更置费高达684亿美元。LLNL拥有超过8000名工作人员，包括3500位科学家、工程师，年经费预算约16亿美元。
美国
90年代以后，随着全面禁止核试验条约的逐步签署，为了在全面禁核试后继续保持核武器研究和发展能力，各有核国家纷纷花大力气提高自已的闪光X光照相能力。自1992年停止传统核武试验以后，美国能源部决定在洛斯•阿拉莫斯国家实验室，建造双轴闪光X光照相流体动力学试验设施（DARHT），并计划建造先进流体动力学试验设施（AHF），采用对模拟核爆进行X射线照相的方式，检测存储核武器的性能情况。该设施采用一对直线加速器来产生X射线束，以直角射向试验点，所产生的X射线照相最大可演示相当于68公斤TNT炸药的爆炸威力，使科学家能了解到核武器的内部情况。
DARHT装置由两台轴线互成90°的20MeV直线感应加速器DARHT-I和DARHT-II组成，前者是一台脉宽为60ns的短脉冲加速器，一次只能获得某一时刻的X光照片；后者则是一台脉宽为2μs的长脉冲加速器，通过踢束器能产生4个脉宽为（20~60）ns的脉冲，一次能获得4个不同时刻的X光照片。AHF是一台具有多角度、多时刻闪光X光照相能力的直线感应加速器，可以对超过2000英里/小时的运动物体进行拍照。
但耗资3.5亿美元的DARHT设施自2003年部分建成后，一直问题不断，已错过了一系列技术完成期，DARHT设施两台加速器中的第二台比原计划推迟了5年，由于实验室存储保密数据的计算机硬盘丢失，2007年实验室关闭了8个月，但该设施仍在按计划建造中，最初计划的7个辐照点，目前仅有3个可用。2007年实验室计划进行10次流体动力学试验，但只进行了7次。2009年要达到每年点火11次的水平仍有许多困难。
不管怎样，未来10年内，DARHT设施将是保证美国库存核武器的重要实验设施。DARHT设施在最近进行的一次验证W76核弹头的模拟核试验中得到了应用。这种10万吨当量的W76核弹头可以用于"三叉戟"导弹和其他核武器中，美国核武库中目前拥有2700枚W76核弹头，远远超过其他类型的核弹头。
法国
法国AIRIX装置
法国在1996年签署了全面禁止核试验条约，当年法国建设核试验模拟实验室的计划开始启动。法国模拟核试验计划将一直持续到2010年，其总投资金额高达５１亿欧元，由法国国防部和原子能委员会（CEA）负责建造。目前，法国每年在核应用领域投资数十亿欧元，已经占到其国防总开支的10%－20%。
法国正在研制的核武器模拟试验装置中有三个关键仪器，即“AIRIX”Ｘ图像感应加速器、兆焦激光设备和“泰拉”超级计算机(购买自美国康柏计算机公司)。这三个装置均已获得重大突破。有了这三个装置就可以分别对核武器的裂变和聚变的物理机制进行研究分析。
兆焦激光设备将是世界上功率最大的激光器。1996年6月，法美签署了一项加强两国核合作的秘密协议。美方同意与法国共享通过计算机模拟核试验所获得的数据，并帮助法国实施“兆焦激光计划”。主要内容是建造240台激光发生器，在２０纳秒内产生1.8兆焦能量，通过激光来创造热核发生聚变反应的必需的温度和密度条件，以研究热核武器的物理机制。
“AIRIX”Ｘ图像感应加速器是法国与美国能源部合作的产物，根据美国洛斯阿拉莫斯实验室的设备设计而成，于1999年建造成功，并首次成功地进行了“ＡＩＲＩＸ”Ｘ射线系统性能试验。这一装置可用来研究核武器裂变发生前的工作过程。除此之外，这个研究中心里还拥有一台欧洲目前运算速度最快的巨型计算机。有了这些从美国引进的高科技试验装置，法国便可以不通过实体核试验，就能对现有核武器进行改进和研制新型核武器。按计划，法国模拟核武器试验基地有望在2010年以前全部完成并投入使用。但是如果华盛顿决定恢复核试验并冻结其模拟核试验计划，那就很可能影响法国的模拟核试验计划。
中国
四川绵阳中国工程物理研究院，同类机器，世界上只有三台，美国核武器实验室一台，法国核武器实验室一台，中国工程物理研究院一台。
我国的直线感应加速器研究始于1982年，走自主创新的发展道路，取得了一系列的成果。1989年研制成功我国首台1.5MeV直线感应加速器；1991年建成3.3MeV加速器（3.3MeV、2kA、60ns），用于曙光一号自由电子激光研究，最大输出功率达140MW，为当时亚洲同类实验的最好结果；1993年建成我国首台用于闪光X光照相的10MeV直线感应加速器（10MeV、2.3kA、60ns），1995年该机升级为12MeV；几年前自主研制成功“神龙一号”直线感应加速器（18~20MeV、2.5kA、60ns），“神龙一号”加速器总体性能达到国际先进水平。
“神龙一号”加速器的研制，除被加速电子的能量提高到20MeV外，关键技术指标是将X光焦斑直径（FWHM）减小到1.5mm以下，以提高闪光X光照相分辨率。世界著名科学家王淦昌院士生前曾对中物院寄予厚望：“一定要超过美国”，上世纪90年代至2000年代初期，研制成功具有国际先进水平的“神龙一号”直线感应加速器。
直线感应加速器已广泛应用于科学研究、国防领域和国民经济领域，这里介绍几种主要的应用，包括闪光X光照相、高功率微波和自由电子激光、重离子聚变，以及在高能物理和能源科学的可能应用。
闪光X光照相是利用强的脉冲X光对高速运动物体某一时刻的运动状态进行透视照相，如果X光的脉冲宽很短，则可以获得高速运动物体该时刻的准静态X光透视图像，与人体X光透视的原理完全一样。闪光X光照相作为最重要的诊断手段用于核武器初级的流体动力学试验始于美国的曼哈顿计划，即第一颗原子弹研制期间。所谓流体动力学试验就是使用裂变替代材料（如钨）的核武器初级模型的内爆试验，由于在高能炸药产生的高温和高压下，金属和其他材料象流体一样流动，故称之为流体动力学试验。利用这种试验可以研究核武器初级从内爆压缩到裂变反应临界点之前的全过程的物理学现象，校验模拟计算程序，以及评估材料的老化效应和新制造的部件等。
北京正负电子对撞机电子直线加速器，由56节长3.05米的盘荷波导加速管和一些聚焦节组成，全长202米。
中国加速器发展简史
1955年，中国科学院原子能所建成700eV质子静电加速器。
1957年，中国科学院开始研制电子回旋加速器。
1958年，中国科学院高能所2.5MeV质子静电加速器建成。
1958年，中国第一台回旋加速器建成。
1958年，清华大学400keV质子倍压加速器建成。
1958年，清华大学2.5Mev电子回旋加速器出束。
1964年，中国科学院高能所30MeV电子直线加速器建成。
1982年，中国第一台自行设计、制造的质子直线加速器首次引出能量为10MeV的质子束流，脉冲流达到14mA.
1988年，北京正负电子对撞机实现正负电子对撞。
1988年，兰州近代物理研究所用于加速器重离子的分离扇形回旋加速器(HIRFL)建成。
1989年，北京谱仪推至对撞点上，开始总体检验，用已获得的巴巴事例进行刻度。北京谱仪开始物理工作。
1989年，中国科技大学设计的我国最早起步的同步辐射加速器建成出光，它由200MeV电子直线加速器和800MeV储存环组成。
2004年，北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)第一阶段设备安装和调试工作取得重大进展。2004年11月19日16时41分，直线加速器控制室的示波器上显示出的电子束流流强约为2A以上，标志着BEPCⅡ直线加速器的改进工作取得一个重要的阶段性成果。
2005年，北京正负电子对撞机（BEPC）正式结束运行。投资6.4亿元的北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)第二阶段——新的双环正负电子对撞机储存环的改建工程施工正式开始。新北京正负电子对撞机的性能将是美国同一类装置的3~7倍，对研究体积为原子核一亿分之一的夸克粒子等基础科研具有重要意义。
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