【走进中科院兰州分院】魏宝文:开拓中国重离子物理研究新领域

责任编辑:韩玉良  编辑:方万伟  作者:秦娜 通讯员 汪宁宁 王晶  时间:2019-05-29 23:10:20

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【走进中科院兰州分院】魏宝文:开拓中国重离子物理研究新领域

新甘肃·甘肃日报记者 秦娜 通讯员 汪宁宁 王晶

61年前的那个初秋,23岁的魏宝文背着简单的行囊踏上火车,一路向西。下了火车,经过兰州大学、兰州饭店,就来到了那个梦想开始的地方——中国科学院近代物理研究所,而这一来就再也没有离开过。从此,魏宝文的个人命运与国家发展紧紧地联系在一起。

61年间,魏宝文心无旁骛地致力于推动近代物理所事业的发展,为我国重离子科学和加速器大科学装置发展、人才队伍培养,以及重离子科学与技术在甘肃的发展和应用作出了重大贡献,使重离子加速器成为甘肃乃至中国近代物理研究的一张重要名片。

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讨论SSC设计方案(右一杨澄中,左立魏宝文)本文图片由中科院兰州分院提供

建功立业在西部

1935年,魏宝文出生在河南禹州,他的小学和初中学生时代几乎都在抗日战争和解放战争中度过。读高中时新中国成立,才算有了稳定的学习环境,也就是从那时起,魏宝文开始对物理产生浓厚的兴趣。

1953年,18岁的魏宝文考入北京大学物理系,1956年调到新成立不久的技术物理系,成为新中国培养的第二批核物理专业的学生。1957年魏宝文毕业后被分配到中国科学院物理研究所(后改名为原子能研究所),次年调入刚组建的中国科学院兰州物理研究室(中国科学院近代物理研究所前身)。

1959年,在物理学家金建中的引见下,魏宝文师从著名核物理学家杨澄中,成为最早跟随杨澄中院士在近代物理所开展核物理研究的人员之一。就这样,魏宝文和很多前辈一样,怀揣着报效祖国的梦想,来到西部,投身于火热的国家建设中。

魏宝文思维活跃,勤奋好学,很快就显示出搞科研的天赋。上世纪60年代初,在杨澄中的指导下,他完成了伽马射线和快中子闪烁探测方法研究,在近代物理所早期核物理实验中发挥了重要作用。

当时,近代物理所正在筹建1.5米回旋加速器。到1962年底,这个“一五”大科学装置的建成让物理学界的科研人员为之振奋。作为第一批使用者,此后魏宝文和同事们都在用1.5米回旋加速器练兵。1963年,他完成了2—9百万电子伏特单能中子源的研制。这项成果被用于快中子截面测量,为一项重要的国防科研任务提供了实验条件。

随后他又主持完成了9—12百万电子伏特中子对锂—6和锂—7的非弹性碰撞截面测量。作为近代物理所核参数测量国防任务的一部分,这项任务的完成,澄清了世界各国数据的分歧,为氢弹的研制提供了我国自己的核数据。

上世纪70年代,魏宝文还对核聚变反应堆材料进行了群截面计算,并在此基础上用中子输运理论的Sn法对聚变反应堆再生区的中分子分布和核发热进行了理论研究。这一领域在当时的中国尚处于早期阶段。

魏宝文的成绩和荣誉引人瞩目,可是,他所付出的艰辛却很少有人知晓。晚上在家学习,一个三斗桌他和孩子各占一头。有时两个孩子抢先占了桌子,他就只好把五斗柜利用起来。直到50岁的时候,他才有了一张属于自己的写字台。

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魏宝文(中)与同事讨论新核素合成工作

千锤百炼铸重器

重离子加速器是用来加速比α粒子重的离子加速器,可将大量的重离子加速到很高的速度,高速的重离子形成重离子束。从上世纪60年代开始,随着重离子加速器的发展,原子核物理开拓了一个蓬勃发展的新领域——重离子物理。在原子物理、材料科学、生命科学等其他学科,重离子束也显示出日益重要的应用前景。

彼时,在经过几番大讨论后,中科院将近代物理所的科研方向确定为低能核物理,并以重离子核物理为主攻方向,同时积极开展核技术应用研究。

1975年,魏宝文跨入不惑之年,兰州重离子加速器的研究工作这时候刚刚起步。新年伊始,杨澄中在与魏宝文的一次恳谈中,希望魏宝文投身到重离子加速器的研制中。正是那次谈话为魏宝文的人生和事业带来了新的机遇,带他走进了重离子加速器的世界。

此后,魏宝文承担了两项预研任务,一项是“分离扇回旋加速器离子轨道的非线性效应研究”,另一项是“重离子束的空间电荷效应研究”。“在一穷二白的情况下搞研究,重离子加速器研究频频遭遇‘肠梗阻’。”魏宝文对当时的困难记忆犹新。

魏宝文与理论物理学家罗诗裕默契配合,不到一年时间就完成了理论研究任务。在当年年底召开的加速器建造方案讨论会上,魏宝文报告了他们的研究结果:在所要加速的能区内,非线性效应很小,轨道是稳定的;而当束流强度为微安级时,空间电荷效应更是可以忽略不计。据此,魏宝文得出了令人振奋的结论:“理论基础是可靠的,我们一定能建成自己的回旋加速器。”十多年后,曾任近代物理所党委副书记的陈荫林回忆起当时的情形时说:“这在当时是一个影响到下不下决心的问题。”

1976年6月,国家计委、中科院和教育部在北京联合组织了加速器物理设计审查会,魏宝文同另一位物理学家陈务中负责理论部分的起草。魏宝文的束流动力学理论报告,受到中国粒子加速器界前辈谢家麟教授的肯定。当年11月,国家计委批准了兰州重离子加速器的建造计划。至此,一项标志着我国核物理研究领域重大进展的“7611”工程诞生了。魏宝文和他的同事们开始了极为艰难的跋涉。

没有技术积累,缺乏管理经验……项目推进困难重重。为此,1979年,魏宝文被派往法国国家重离子研究中心(GANIL)学习。

出国前,魏宝文做了非常充分的准备,明确了需要解决的问题。因此,一到法国,他很快就进入角色,用超乎常人的勤奋刻苦汲取国外先进经验和知识。他出色的工作也赢得了国外同行的赞誉,GANIL的弗赫梅教授曾对杨澄中说:“你们派来的人很管用。”

回国后,作为总工程师,魏宝文负责起“7611”工程的物理总体、技术把关、参数协调、磁铁建造和联合调束工作。他集中精力对加速器整个系统及各个主要部件的参数和指标进行了全面考察,并主持了被称为加速器“三大件”之一的磁铁系统的建造。

就当时国内水平来看,要建造长期稳定的空间分布严格对称的、精度和重复性都在万分之一量级的加速离子约束磁场,决非一件轻而易举的事情。不但要从材质的冶炼入手,甚至连地基的下沉与倾斜,相关器件如真空室不锈钢的选择等都有极为严格的技术要求。为了做到万无一失,魏宝文在四分之一模型磁铁上开展了等时场的垫补实验,取得了可靠的数据。他还邀请了物理学家张振康,从物理要求上把关,并组建了磁铁建造班子。这些人在一起常常发生争论,一方说物理要求太高不现实,另一方说加速束流指标要保证。但是一旦定下来,大伙儿皆能心往一处想,劲往一处使。民主讨论的学术风气在这里得到充分体现。

与此同时,魏宝文还腾出时间和精力,组织了另两项攻关任务。一项是高精度计算机控制多探头磁场测量系统的建立,另一项是高稳定大功率直流电源的研制。

高精度磁场测量系统的建立,相当于为等时场的建造提供了一双敏锐的眼睛。在后来的垫补实验、一扇原型实验和四扇磁场测量中,都发挥了重要的作用。特别是四扇测磁,只用了8个月就高质量全部完成任务。

长期稳定度为十万分之一和万分之一的大功率直流电源,当时国内还没有厂家生产。国外倒是有,但价格十分昂贵。整个磁铁系统近60台大小不等的电源,需要花费巨额外汇。魏宝文和同事们跑遍了国内相关的研制单位,最终还是空手而归。万般无奈下,只好自己研制。研究员周嗣信带领几名科技人员,精心设计,反复试验,同西安的一家专业厂合作,终于全部用国产元器件研制出不同规格的样机,综合技术指标达到国际同类产品的先进水平。

细化方案、课题到人、逐个攻关……在杨澄中、张恩厚和魏宝文的科学统筹下,一个个图纸上的创新变成了现实。

十二度春秋,十二载寒暑,经过老、中、青三代人的努力,近代物理所终于在1988年底建成了我国第一台大型重离子加速器。兰州重离子加速器的成功出束,向世界宣告:中国建成了继法国、日本之后第三台大型重离子回旋加速器。这个由成百上千台仪器、几千吨钢铁组成的庞大系统,每一个部件、每一个接口、每一条电线上,都凝结着魏宝文和同事们的心血。

这一重大成果获得1991年中科院科技进步特等奖,1992年国家科技进步一等奖。是目前国际上运行的三大常温重离子回旋加速器之一,至今已运行30年。

1995年,因在中能重离子物理研究上的突出贡献,魏宝文当选为中国科学院院士。对魏宝文来说,爱国主义就是为祖国发展而埋头科研,就是用实际行动为国家铸就重器。

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1989年,魏宝文在重离子加速器首次调试成功会上作报告

慧眼独具引创新

作为近代物理所科研工作的“掌舵人”,魏宝文把更多的精力投入到了研究所以及整个学科的发展中,一系列前瞻性和战略性的科研决策,让我国相关领域科研水平走在了世界前列。

为提高加速器性能,依托SFC和SSC,魏宝文在1984年就部署开展ECR离子源研究工作,利用ECR离子源代替PIG离子源,历经30年的发展,形成了独特体系,引领着国际强流高电荷态离子束产生及ECR离子源技术研究。

在新核素合成方面,从1989年起,在魏宝文的组织领导下,近代物理所展开新核素合成及其生成机制、核结构和衰变性质研究。在过去的20多年里,近代物理所在5个核区合成20多种新核素,合成了105和107号两种超重新核素,使我国在丰质子新核素合成研究方向上走到了国际前列。

之后,魏宝文和同事将放射性束确定为近代物理所主要研究方向之一。1997年,近代物理所建成了我国第一条双弯放射性束流线,年均运行1000小时,在轻质量区核结构和核反应研究方面取得许多重要成果。

这其中,最重要的当属重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)的建设。早在上世纪90年代,魏宝文就意识到必须让重离子加速再往前走一步,提高束流强度和能量,拓展束流品种,为此他提出在兰州重离子加速器上续建冷却储存环的设想。

“当时并没有十足的把握,只是想让重离子加速再往前走一步。”魏宝文回忆,在回旋加速器上装配冷却储存环,当时只有美国印第安纳大学有先例,但经过考察,发现那个装置不但小,而且只加速轻离子,大型重离子回旋加速器上装配冷却储存环是否可行仍要打个问号。

就这样,魏宝文带领三名研究生进行预研,不但证明了项目可行性,并组织完成了方案设计和立项论证。魏宝文又一次踏上新征程。

2000年,兰州重离子加速器冷却储存环建设被列为国家“九五”大科学工程之一。经过一批优秀年轻人数年的努力,2008年冷却储存环建成并投入运行,是亚洲最高能量重离子加速器,实现了从氢到铀的全离子加速,完成了从低中能向高能的跨越,成为世界级的大型核物理实验装置、国际一流的重离子科研平台。

更让魏宝文感到骄傲的是,冷却储存环装置中的自主研制设备达到80%以上,并且实现了多项创新和突破,创造了极高的性能造价比。同时,冷却储存环的建设还为国家培养和锻炼了一支优秀的青年创新团队。

在魏宝文的带领下,从上世纪90年代起,近代物理研究所陆续开展了辐照育种、材料辐照效应等研究;自主设计的医用重离子加速器获得国家新产品认证,首台示范装置调试成功。

“我们这支科研队伍都是在大项目中锻炼出来的,直到现在,老师关于科学研究、工程管理的理念仍深深地影响着我们。”近代物理所党委副书记、纪委书记袁平说。

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1993年,魏宝文在新核素合成研讨会上

恪物明理树标杆

在魏宝文身上,老一辈科学家那股强烈的责任感和爱国情怀已成为鲜明的时代烙印;在魏宝文的影响下,艰苦奋斗、勇于创新的科研精神代代相传,鼓舞着一批批年轻人。

面对建成兰州重离子加速器的巨大荣誉,魏宝文总说:“它的设计与建造是三代人的事业。”作为这项大科学工程的总工程师,他把自己的工作归纳为两点。第一,把一个个课题分解出来,落实到一个个科技人员肩上,不漏项;把一个个科技人员的成果,镶嵌在总体参数的框架上,随时调整。第二,用学术活动把大家的思想统一起来,为科技人员扫清工作中的障碍,并为科技人员的失误承担责任。

魏宝文认真严谨、敢于担责的科研态度给同事和学生留下了深刻的印象。近代物理所党委书记赵红卫回忆,每一次大工程、大项目,魏宝文都要反复组织召开多次讨论会,每次都是直切主题抓核心,有时候科研人员出于各种原因绕弯子,总说不到点子上,魏宝文总是不留情面,当场指出。在魏宝文的严格要求和影响下,近代物理所上下形成了求真务实的科研风气。

为了使核科学事业能尽快发展起来,魏宝文非常重视人才培养工作。他带学生,注重教给学生们治学的方法,激发他们的创造力,鼓励他们独立思考,提高分析和解决问题的能力。学业上,他是严师;其他方面,他又是益友。学生到他家,他总是热情招待,和学生一起探讨科学和人生。学生们从魏宝文那里,不仅秉承了严谨治学的作风,也学到了耿介旷达的品格。

中国工程院院士夏佳文,甘肃省领军人才赵红卫、袁平、原有进……如今,魏宝文培养的学生在专业领域各有建树,个个都能独当一面。

2017年,魏宝文获甘肃省科技功臣奖。这是对魏宝文院士几十年如一日潜心科研的至高赞扬。

六十载恪物明理,一甲子尽智报国。从风华正茂到年已耄耋,从普通科研人员到中国科学院院士……改变的是年华、是经历,不变的是对科研的不懈追求,是报效国家的那颗初心。过去,他是领航人,带领这支踏实肯干的队伍一往直前;现在,他依然是标杆,只要国家需要,仍然义不容辞地贡献着智慧和力量。

(秦娜 通讯员 汪宁宁 王晶)

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