十年磨一劍，亮劍華山巔

十年磨一劍，亮劍華山巔

2016年新年前夕，中國科學報發布的“神龍二號直線感應加速器研發紀實”的長文引起了眾人的關注[1]。神龍二號是用於核武器研製的神劍利器，中國工程物理研究院的流體物理研究所化了近十年的時間終於掌握了獨步天下的絕技，真可謂“十年磨一劍，亮劍華山巔。”劍在手，問天下誰是英雄？天下英雄在九院！

本文不使用任何數學公式，隻用最淺顯的常識對神龍二號的功能、用途和建造的難度作些科普介紹，如果讀者看讀畢全文後認同我上述的觀點，那麽碼字的辛苦我也就認了。

核武器的基本工作原理容易理解，由高效能炸藥通過爆轟（又稱內爆）過程把核材料向心壓縮，在瞬間形成高溫高壓狀態從而導致核裂變鏈鎖反應，熱核武器則是通過核裂變過程進一步壓縮核聚變材料從而導致核聚變反應。爆轟過程就是核武器啟動後到核反應正式開始前那一瞬間的過程，如果通過這段過程沒有使裂變材料進入高溫高壓狀態並維持一段時間，那麽後果就是啞彈或者髒彈，不可能產生核彈。爆轟過程是核武器研製的關鍵，它直接決定了核武器的反應效果和爆炸效率。工欲善其事必先利其器，神龍電子直線加速器就是研究爆轟的利器，是核武器研製人員的火眼金睛。

雖然“全麵禁止核試驗條約”早已通過，這個“緊箍圈”主要是用來對付後進的“流氓”國家的，但幾個核大國（全是紳士）對核武器的研發從來沒有停止過，這些都是公開的秘密。各國研發的重點就是爆轟過程，隻是把被壓縮的核裂變材料換成像鎢這樣的重金屬，整個爆轟過程完全相同，隻是最後不引起核反應而已。這有些像一支足球隊，天天在球場練習長短傳球、帶球過人和協同配合，隻要不起腳射門都不算正式備戰訓練，嘿嘿。

為了深入理解和改進爆轟過程，必須把這個過程拍攝紀錄下來，而神龍二號就是拍攝爆轟過程的閃光燈，但它卻是一隻要求非常特殊的閃光燈。首先，為了拍攝物體內部的運動過程，光源就不可能是可見光，必須是具備穿透特性的X光，由於被壓縮的都是密度高的重金屬元素，穿透相當於幾十厘米鋼材的X光必須比普通X光的波長更短的高硬X光；其次，為了得到高質量圖像，又要求光源有非常高的亮度；最後，由於內爆過程僅為數百萬分之一秒的一瞬間，為了保持圖像的清晰，閃光的時間必須控製在千萬分之一秒以內（由於照相機的快門根本做不到這一級別，所以圖像的清晰度完全靠閃光的短暫時間來保證，這些對經常使用閃光燈的攝影愛好者都容易理解）。

由此可知，神龍直線感應加速器就是一隻X光閃光照相燈，但它是一隻能產生超短波長、超高亮度和超短脈衝的X光閃光燈，這三個重要性能分別反映在直線感應加速器的三個重要參數上：電子能量（MeV）、電子束強度（kA）和電子束脈衝寬度（ns）[2]。

這裏是各強國用於核武器爆轟閃光照相的直線加速器的大致參數：
中國“神龍一號”加速器 （20MeV、2.5kA、60ns）
俄羅斯LIU-10加速器 （14MeV、50kA、20ns）
俄羅斯LIU-30加速器 （40MeV、100kA、20ns）
美國FXR加速器 （20MeV、 4kA、60ns）
法國PIVAIR加速器 （8MeV、 3.5kA、60ns）

上列電子直線加速器都是早已投入使用了多年的成熟設備，這些第一代產品的技術差距並不大。近年來各國又斥巨資進入新一輪的研發競爭，其中的領跑者為中美兩國，第二代產品雙方爭奪的高地是多幅成像和多維成像[3]。

第一代直線加速器短時間內隻能產生單個脈衝，每一次的X光閃光照相隻能獲得實驗產品爆轟過程在某一時刻的圖像。要想了解產品在整個爆轟過程，就隻有加工多發完全一模一樣的產品並進行多次實驗。采用這種方式所獲得的多個時刻的圖像信息進行數值模擬校驗，其前提是理想化地認為每一發產品本身和實驗條件均完全相同，這樣多幅圖像之間才具有對比性。但實際上產品在生產加工、工藝處理和裝配等過程中不可避免地存在差異，此外實驗時的環境也會變化，失之毫厘，謬以千裏，小小誤差都會極大影響實驗數據的有效性和對爆轟規律的理解，這就直接關係到核武器設計的優劣。

稍上些檔次的攝影閃光燈都有連續閃光功能，用以對高速運動目標瞬間多次閃光成像，得到的多張照片可以充分反映目標的高速運動過程，這也容易理解。問題是核武器的爆轟過程僅數百萬分之一秒，這就必須要求用於爆轟照相的X光閃光燈每次閃光幾億分之一秒，並間隔數千萬分之一秒連續閃光多次（也可理解為產生多個間隔為數個脈寬，每個脈寬為幾億分之一秒的強電子束流），真正的技術難度就在這裏。

P1)

圖1是X光產生的原理圖，經強電場加速的高速電子撞擊到右B的高原子序數（鉭或鎢）金屬靶上產生X光。醫院和工業探傷設備中使用的X光源的構造基本就是如此。

P2)電子直線加速器物理原理圖

但要產生高強度短波長瞬間脈衝X光就必須獲得可控的超高速超流量的電子束流，它隻能由電子直線加速器產生。

圖2是電子直線加速器物理原理圖。其中，注入器是加速器的前級，作用是產生高品質強流電子束，電子束注入由加速組元串接構成的加速段加速，而脈衝發生器按設定時序給每一個加速組元輸入高電壓脈衝，在加速間隙處形成加速電場。圖中由下到上顯示了電子穿越加速組元被反複向右方加速的過程。

P3)神龍一號直線感應加速器的結構示意圖

圖3是神龍一號直線感應加速器的工程結構示意圖。直線感應加速器采用了感應組元（即加速組元）結構。感應組元可以簡單地看成為一個1:1的脈衝變壓器。環繞圓環狀磁芯有兩個回路，其中與脈衝發生器相連的回路是初級，而包含粒子束流和加速間隙的回路是次級。當脈衝發生器產生的脈衝電壓輸入初級回路時，使磁芯產生磁通量的快速變化，因而在次級回路的加速間隙處產生感應電壓，加速間隙區域形成軸對稱的軸向感應電場，帶電粒子通過時就能得到沿軸向的加速。

我們從上麵示意圖中不難看出要得到穏定高速的電子束的關鍵是保持電子穿越感應組元時和加速電場同步一致，而電子的加速運動使得電子穿越各個感應組元的時間間隔是不同的，因此這種同步過程變得非常困難。而要使多批電子束以超短的間隔時段接連穿越多個感應組元並被一致穏定地加速，最後產生間隔數千萬分之一秒、脈寬小於幾億分之一秒的多批高速電子流！這概念要想清楚都不容易，其工程化的難度真好似駱駝穿針眼。

長年來幾個核大國一直為實現連續多幅X光閃光照相而糾結。英國計劃用數台單脈衝加速器從不同的角度實現多幅照相。這樣的路線技術風險低，但所獲得的多幅閃光照相數據不是同軸的，較難滿足武器研製需要。上世紀90年代，美國在研製的DARHT-II裝置上用一個2微秒的長脈衝來規避多脈衝產生難題，在打靶前把電子束的大部份被偏轉90度廢棄掉，剩下四個約50ns短脈衝打擊標靶產生四次X光閃光，實現多幅照相。這實際上仍是一台單脈衝加速器，其缺點是效費比低、造價高，同時，這幾束短脈衝的時間間隔完全受限於單脈衝的總脈寬，間隔幾乎不可調整。

中國工程物理研究院流體物理研究所獨辟蹊徑、敢於創新，經過近十年的奮戰成功研製成了世界上首台“兆赫茲重複率猝發強流多脈衝直線感應加速器”-神龍二號。2014年1月3日，神龍二號加速器成功進行了首次多幅X光閃光照相的爆轟實驗[4]。

與美國DARHT-II相比，中國神龍二號設計方案突出的優越性在於：三個短脈衝是完全獨立產生的，脈衝間隔獨立可調，實驗中可以根據具體的武器需求，獲得不同時刻的爆轟實驗物理圖像；同時，其束流利用效率高，幾乎達到100%，造價約是DARHT-II的五分之一。估計這次西方媒體不會再說什麽“偷竊情報”、“山寨盜版”了，因為設計的思路和實現的方法完全不相同，這有些像中國熱核武器採用了特獨的於敏模型，西方政客們對此似乎也隻能 shut up!

讀畢“電子直線感應加速器的研發過程”的紀實文章後，我似乎聽到了中國在科技領域向前追趕的快速而有力的步伐聲。總體感覺，在基礎科學方麵中國仍落後於美國，但在工程技術方麵，中國已經全線逼近美國，有些專業已經超越美國，成為世界的領跑者。

相比基礎科學，工程技術水平對一個國家更為重要。基礎科學如果能轉化為生產力那也是在遙遠的將來，天體物理和基本粒子物理目前的成果可能下一世紀也用不上。而且基礎科學成果大部分是公開和可以共享的，工程技術卻完全相反，不信試試：看誰會告訴你怎樣做一台用於爆轟的X光閃光照相係統。

而中國工程技術方麵的進步突出地表現在一切與電子電器有關的工程領域，像神龍電子直線感應加速器、新殲擊機的電傳控製、大型預警機和高鐵工程，這些震撼世人的項目可以列出一大串。其背後的原因值得深思。電子電器工程是相對比較新的技術，西方領先本也有限；新的技術變化較大較快，這也有利於追趕者；而電子電器工程技術比較抽象，高度依靠數學物理知識，近幾十年來也隻有中國的教育係統培養出了數十萬合格的電子電器工程師，這是中國工程技術大軍裏的38軍，他們戰無不勝、所向披靡。

神龍二號的研製化了近十年的時間，“十年磨一劍，亮劍華山巔！”今天的國際社會比江湖還要險惡，在江湖上行走，人無利劍、國無重器，定會受盡屈辱，不丟性命算是萬幸[5]。劍在手，問天下誰是英雄？天下英雄在九院！看完本文同意這一觀點的請一起向九院的英雄們致敬！

聲明：本文數據和圖片全部來自公開發布的紀實報導和大學物理教材。

P4)神龍二號。照片上最左邊的一條草綠色園柱體是電子直線感應加速器的主體，高速電子束流向照片裏麵射入。

[1]有關新聞報道 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/12/334792.shtm

[2]事實上電子直線加速器的重要性能參數還應包括脈衝的重複率、電子束流的品質和靶區的精度等等，作為科普文章，這些就暫不討論了。Mev是百萬電子伏特，是電子能量單位，該參數決定了X光的波長（硬度）；KA是千安倍，是電子束流量單位，該參數決定了X光的強度；ns是納秒，是時間單位，該參數反映了X光的持續時間。

[3]神龍二號與十年前建成的神龍一號裝置呈九十度夾角安放，“龍尾”雙雙皆瞄準爆轟裝置。雙龍配合，可以進行準三維的閃光X光照相，即在一次閃光照相實驗中可獲得兩個角度四個時刻的清晰內爆圖像和演變過程，大大提高了實驗效率和置信度，為解決關鍵物理問題提供了重要的實驗平台。目前，世界上僅有中國和美國具備了同軸多幅和雙軸精密閃光照相能力。

[4]神龍二號是一台大型直線感應電子加速器，猝發三脈衝運行，相鄰兩脈衝間隔可調，最小時間間隔可達300ns，每個脈衝運行參數為：電子能量(18~20)MeV、束流強度大於2.1kA、束流脈衝寬度～70ns。該加速器輸出的每個電子束脈衝與重金屬材料靶相互作用，可產生三個強脈衝X射線，距靶一米處每個X射線脈衝照射量不低於300倫琴，每個X射線脈衝近乎點光源（光源光強分布的半高全寬不大於2mm）。每個X射線脈衝均具有較強的透視照相能力，可穿透近40cm厚鋼板（其內亞毫米缺陷可分辨），可同時獲取高速運動物體三個不同時刻的圖像。

[5]在第三次華山論劍中有一小段對一眾平庸妄人的描述，他們身無絕技卻也想到華山爭雄，當然隻能落得天下人的笑柄，請看原文；

隻見人群中躍出六人，分作三對，各展兵刃，動起手來。數招一過，黃藥師、周伯通等無不啞然失笑，連一燈大師如此莊嚴慈祥的人物，也忍不住莞爾。...原來動手的這六人武功平庸之極，連與武氏兄弟、郭家姊妹相比，也是遠遠不及，瞧來不過是江湖上的一批妄人，不知從那裏聽到“華山論劍”四字，居然也來附庸風雅。

那六人聽得周伯通等人嬉笑，登時罷鬥，各自躍開，厲聲喝道：“不知死活的東西。老爺們在此比武論劍，爭那‘武功天下第一’的名號。你們在這裏嘻嘻哈哈的幹甚麽？快快給我滾下山去，方饒了你們的性命。”

楊過哈哈一笑，縱聲長嘯，四下裏山穀鳴響，霎時之間，便似長風動地，雲氣聚合。那一幹人初時慘然變色，跟著身戰手震，嗆啷啷之聲不絕，一柄柄兵刃都拋在地下。楊過喝道：“都給我請罷！”那數十人呆了半晌，突然一聲發喊，紛紛拚命的奔下山去，跌跌撞撞，連兵刃也不敢執拾，頃刻間走得幹幹淨淨，不見蹤影。瑛姑、郭芙等都笑彎了腰，說不出話來。黃藥師歎道：“欺世盜名的妄人，所在多有，但想不到在這華山之巔，居然也見此輩。”