十年磨一剑，亮剑华山巅

2016年新年前夕，中国科学报发布的“神龙二号直线感应加速器研发纪实”的长文引起了众人的关注[1]。神龙二号是用于核武器研制的神剑利器，中国工程物理研究院的流体物理研究所化了近十年的时间终于掌握了独步天下的绝技，真可谓“十年磨一剑，亮剑华山巅。”剑在手，问天下谁是英雄？天下英雄在九院！

本文不使用任何数学公式，只用最浅显的常识对神龙二号的功能、用途和建造的难度作些科普介绍，如果读者看读毕全文后认同我上述的观点，那么码字的辛苦我也就认了。

核武器的基本工作原理容易理解，由高效能炸药通过爆轰（又称内爆）过程把核材料向心压缩，在瞬间形成高温高压状态从而导致核裂变链锁反应，热核武器则是通过核裂变过程进一步压缩核聚变材料从而导致核聚变反应。爆轰过程就是核武器启动后到核反应正式开始前那一瞬间的过程，如果通过这段过程没有使裂变材料进入高温高压状态并维持一段时间，那么后果就是哑彈或者脏彈，不可能产生核彈。爆轰过程是核武器研制的关键，它直接决定了核武器的反应效果和爆炸效率。工欲善其事必先利其器，神龙电子直线加速器就是研究爆轰的利器，是核武器研制人员的火眼金睛。

虽然“全面禁止核试验条约”早已通过，这个“紧箍圈”主要是用来对付后进的“流氓”国家的，但几个核大国（全是绅士）对核武器的研发从来没有停止过，这些都是公开的秘密。各国研发的重点就是爆轰过程，只是把被压缩的核裂变材料换成像钨这样的重金属，整个爆轰过程完全相同，只是最后不引起核反应而已。这有些像一支足球队，天天在球场练习长短传球、带球过人和协同配合，只要不起脚射门都不算正式备战训练，嘿嘿。

为了深入理解和改进爆轰过程，必须把这个过程拍摄纪录下来，而神龙二号就是拍摄爆轰过程的闪光灯，但它却是一只要求非常特殊的闪光灯。首先，为了拍摄物体内部的运动过程，光源就不可能是可见光，必须是具备穿透特性的X光，由于被压缩的都是密度高的重金属元素，穿透相当于几十厘米钢材的X光必须比普通X光的波长更短的高硬X光；其次，为了得到高质量图像，又要求光源有非常高的亮度；最后，由于内爆过程仅为数百万分之一秒的一瞬间，为了保持图像的清晰，闪光的时间必须控制在千万分之一秒以内（由于照相机的快门根本做不到这一级别，所以图像的清晰度完全靠闪光的短暂时间来保证，这些对经常使用闪光灯的摄影爱好者都容易理解）。

由此可知，神龙直线感应加速器就是一只X光闪光照相灯，但它是一只能产生超短波长、超高亮度和超短脉冲的X光闪光灯，这三个重要性能分别反映在直线感应加速器的三个重要参数上：电子能量（MeV）、电子束强度（kA）和电子束脉冲宽度（ns）[2]。

这里是各强国用于核武器爆轰闪光照相的直线加速器的大致参数：
中国“神龙一号”加速器    （20MeV、2.5kA、60ns）
俄罗斯LIU-10加速器      （14MeV、50kA、20ns）
俄罗斯LIU-30加速器      （40MeV、100kA、20ns）
美国FXR加速器         （20MeV、 4kA、60ns）
法国PIVAIR加速器       （8MeV、 3.5kA、60ns）

上列电子直线加速器都是早已投入使用了多年的成熟设备，这些第一代产品的技术差距并不大。近年来各国又斥巨资进入新一轮的研发竞争，其中的领跑者为中美两国，第二代产品双方爭夺的高地是多幅成像和多维成像[3]。

第一代直线加速器短时间内只能产生单个脉冲，每一次的X光闪光照相只能获得实验产品爆轰过程在某一时刻的图像。要想了解产品在整个爆轰过程，就只有加工多发完全一模一样的产品并进行多次实验。采用这种方式所获得的多个时刻的图像信息进行数值模拟校验，其前提是理想化地认为每一发产品本身和实验条件均完全相同，这样多幅图像之间才具有对比性。但实际上产品在生产加工、工艺处理和装配等过程中不可避免地存在差异，此外实验时的环境也会变化，失之毫厘，谬以千里，小小误差都会极大影响实验数据的有效性和对爆轰规律的理解，这就直接关系到核武器设计的优劣。

稍上些档次的摄影闪光灯都有连续闪光功能，用以对高速运动目标瞬间多次闪光成像，得到的多张照片可以充分反映目标的高速运动过程，这也容易理解。问题是核武器的爆轰过程仅数百万分之一秒，这就必须要求用于爆轰照相的X光闪光灯每次闪光几亿分之一秒，并间隔数千万分之一秒连续闪光多次（也可理解为产生多个间隔为数个脉宽，每个脉宽为几亿分之一秒的强电子束流），真正的技术难度就在这里。

P1)

图1是X光产生的原理图，经强电场加速的高速电子撞击到右B的高原子序数（钽或钨）金属靶上产生X光。医院和工业探伤设备中使用的X光源的构造基本就是如此。

P2)电子直线加速器物理原理图

但要产生高强度短波长瞬间脉冲X光就必须获得可控的超高速超流量的电子束流，它只能由电子直线加速器产生。

图2是电子直线加速器物理原理图。其中，注入器是加速器的前级，作用是产生高品质强流电子束，电子束注入由加速组元串接构成的加速段加速，而脉冲发生器按设定时序给每一个加速组元输入高电压脉冲，在加速间隙处形成加速电场。图中由下到上显示了电子穿越加速组元被反复向右方加速的过程。

P3)神龙一号直线感应加速器的结构示意图

图3是神龙一号直线感应加速器的工程结构示意图。直线感应加速器采用了感应组元（即加速组元）结构。感应组元可以简单地看成为一个1:1的脉冲变压器。环绕圆环状磁芯有两个回路，其中与脉冲发生器相连的回路是初级，而包含粒子束流和加速间隙的回路是次级。当脉冲发生器产生的脉冲电压输入初级回路时，使磁芯产生磁通量的快速变化，因而在次级回路的加速间隙处产生感应电压，加速间隙区域形成轴对称的轴向感应电场，带电粒子通过时就能得到沿轴向的加速。

我们从上面示意图中不难看出要得到穏定高速的电子束的关键是保持电子穿越感应组元时和加速电场同步一致，而电子的加速运动使得电子穿越各个感应组元的时间间隔是不同的，因此这种同步过程变得非常困难。而要使多批电子束以超短的间隔时段接连穿越多个感应组元并被一致穏定地加速，最后产生间隔数千万分之一秒、脉宽小于几亿分之一秒的多批高速电子流！这概念要想清楚都不容易，其工程化的难度真好似骆驼穿针眼。

长年来几个核大国一直为实现连续多幅X光闪光照相而纠结。英国计划用数台单脉冲加速器从不同的角度实现多幅照相。这样的路线技术风险低，但所获得的多幅闪光照相数据不是同轴的，较难满足武器研制需要。上世纪90年代，美国在研制的DARHT-II装置上用一个2微秒的长脉冲来规避多脉冲产生难题，在打靶前把电子束的大部份被偏转90度废弃掉，剩下四个约50ns短脉冲打击标靶产生四次X光闪光，实现多幅照相。这实际上仍是一台单脉冲加速器，其缺点是效费比低、造价高，同时，这几束短脉冲的时间间隔完全受限于单脉冲的总脉宽，间隔几乎不可调整。

中国工程物理研究院流体物理研究所独辟蹊径、敢于創新，经过近十年的奋战成功研制成了世界上首台“兆赫兹重复率猝发强流多脉冲直线感应加速器”-神龙二号。2014年1月3日，神龙二号加速器成功进行了首次多幅X光闪光照相的爆轰实验[4]。

与美国DARHT-II相比，中国神龙二号设计方案突出的优越性在于：三个短脉冲是完全独立产生的，脉冲间隔独立可调，实验中可以根据具体的武器需求，获得不同时刻的爆轰实验物理图像；同时，其束流利用效率高，几乎达到100%，造价约是DARHT-II的五分之一。估计这次西方媒体不会再说什么“偷窃情报”、“山寨盗版”了，因为设计的思路和实现的方法完全不相同，这有些像中国热核武器採用了特独的于敏模型，西方政客们对此似乎也只能 shut up!

读毕“电子直线感应加速器的研发过程”的纪实文章后，我似乎听到了中国在科技领域向前追赶的快速而有力的步伐声。总体感觉，在基础科学方面中国仍落后于美国，但在工程技术方面，中国已经全线逼近美国，有些专业已经超越美国，成为世界的领跑者。

相比基础科学，工程技术水平对一个国家更为重要。基础科学如果能转化为生产力那也是在遥远的将来，天体物理和基本粒子物理目前的成果可能下一世纪也用不上。而且基础科学成果大部分是公开和可以共享的，工程技术却完全相反，不信试试：看谁会告诉你怎样做一台用于爆轰的X光闪光照相系统。

而中国工程技术方面的进步突出地表现在一切与电子电器有关的工程领域，像神龙电子直线感应加速器、新歼击机的电传控制、大型预警机和高铁工程，这些震撼世人的项目可以列出一大串。其背后的原因值得深思。电子电器工程是相对比较新的技术，西方领先本也有限；新的技术变化较大较快，这也有利于追赶者；而电子电器工程技术比较抽象，高度依靠数学物理知识，近几十年来也只有中国的教育系统培养出了数十万合格的电子电器工程师，这是中国工程技术大军里的38军，他们战无不胜、所向披靡。

神龙二号的研制化了近十年的时间，“十年磨一剑，亮剑华山巅！”今天的国际社会比江湖还要险恶，在江湖上行走，人无利剑、国无重器，定会受尽屈辱，不丢性命算是万幸[5]。剑在手，问天下谁是英雄？天下英雄在九院！看完本文同意这一观点的请一起向九院的英雄们致敬！

声明：本文数据和图片全部来自公开发布的纪实报导和大学物理教材。

P4)神龙二号。照片上最左边的一条草绿色园柱体是电子直线感应加速器的主体，高速电子束流向照片里面射入。

[1]有关新闻报道 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/12/334792.shtm

[2]事实上电子直线加速器的重要性能参数还应包括脉冲的重复率、电子束流的品质和靶区的精度等等，作为科普文章，这些就暂不讨论了。Mev是百万电子伏特，是电子能量单位，该参数决定了X光的波长（硬度）；KA是千安倍，是电子束流量单位，该参数决定了X光的强度；ns是纳秒，是时间单位，该参数反映了X光的持续时间。

[3]神龙二号与十年前建成的神龙一号装置呈九十度夹角安放，“龙尾”双双皆瞄准爆轰装置。双龙配合，可以进行准三维的闪光X光照相，即在一次闪光照相实验中可获得两个角度四个时刻的清晰内爆图像和演变过程，大大提高了实验效率和置信度，为解决关键物理问题提供了重要的实验平台。目前，世界上仅有中国和美国具备了同轴多幅和双轴精密闪光照相能力。

[4]神龙二号是一台大型直线感应电子加速器，猝发三脉冲运行，相邻两脉冲间隔可调，最小时间间隔可达300ns，每个脉冲运行参数为：电子能量(18~20)MeV、束流强度大于2.1kA、束流脉冲宽度～70ns。该加速器输出的每个电子束脉冲与重金属材料靶相互作用，可产生三个强脉冲X射线，距靶一米处每个X射线脉冲照射量不低于300伦琴，每个X射线脉冲近乎点光源（光源光强分布的半高全宽不大于2mm）。每个X射线脉冲均具有较强的透视照相能力，可穿透近40cm厚钢板（其内亚毫米缺陷可分辨），可同时获取高速运动物体三个不同时刻的图像。

[5]在第三次华山论剑中有一小段对一众平庸妄人的描述，他们身无绝技却也想到华山爭雄，当然只能落得天下人的笑柄，请看原文；

只见人群中跃出六人，分作三对，各展兵刃，动起手来。数招一过，黄药师、周伯通等无不哑然失笑，连一灯大师如此庄严慈祥的人物，也忍不住莞尔。...原来动手的这六人武功平庸之极，连与武氏兄弟、郭家姊妹相比，也是远远不及，瞧来不过是江湖上的一批妄人，不知从那里听到“华山论剑”四字，居然也来附庸风雅。

那六人听得周伯通等人嬉笑，登时罢斗，各自跃开，厉声喝道：“不知死活的东西。老爷们在此比武论剑，争那‘武功天下第一’的名号。你们在这里嘻嘻哈哈的干甚么？快快给我滚下山去，方饶了你们的性命。”

杨过哈哈一笑，纵声长啸，四下里山谷鸣响，霎时之间，便似长风动地，云气聚合。那一干人初时惨然变色，跟着身战手震，呛啷啷之声不绝，一柄柄兵刃都抛在地下。杨过喝道：“都给我请罢！”那数十人呆了半晌，突然一声发喊，纷纷拼命的奔下山去，跌跌撞撞，连兵刃也不敢执拾，顷刻间走得干干净净，不见踪影。瑛姑、郭芙等都笑弯了腰，说不出话来。黄药师叹道：“欺世盗名的妄人，所在多有，但想不到在这华山之巅，居然也见此辈。”