撰文丨羅會仟 中國科學院物理研究所

如果你最近路過廣東惠州市惠東縣黃埠鎮(zhèn)，就會發(fā)現(xiàn)海邊悄然出現(xiàn)了兩個“環(huán)”：大環(huán)像一個磨圓了角的正三角形，小環(huán)像一個操場跑道。這就是建設中的強流重離子加速器裝置（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，簡稱HIAF），它于于2018年12月23日正式啟動建設，即將在2025年落成。在HIAF， 你將見證世界上脈沖流強最高的重離子束流，是當之無愧的重離子“大炮”。

那么，什么是重離子加速器裝置？它的建成有什么應用價值呢？我國的強流重離子加速器裝置究竟采用什么先進科技呢？

1909年，英國的盧瑟福等人利用α粒子，也就是氦原子核，作為“炮彈”去轟擊金箔。結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)，絕大部分粒子都“如入無人之境”地穿透金箔，偏轉(zhuǎn)的角度很小。但是有大約1/8000的α粒子入射前后角度偏轉(zhuǎn)大于90°，甚至極少數(shù)幾乎原路返回。這意味著，原子內(nèi)部絕大部分都是“空空如也”，原子的質(zhì)量可能集中在它的核上面——這也就是盧瑟福提出的原子有核結(jié)構(gòu)模型。α粒子散射實驗開啟了近代核物理研究的篇章。經(jīng)過百余年的研究，人們不僅摸清楚了元素周期表中118個元素的原子結(jié)構(gòu)，還認識到它們的3100多種核同位素，簡稱“核素”。也就是同一個元素周期表位置可能擁有多個不同原子，它們核外電子和核內(nèi)質(zhì)子數(shù)量一樣，但中子數(shù)量不同。目前，人們發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定核素有271種，其余都是放射性同位素，換句話說，絕大部分核素都是不穩(wěn)定的，隨時可能發(fā)生衰變成為其他的核素。

對于核物理學家來說，要想搞清楚核素有哪些？它們是怎么產(chǎn)生的？它們?yōu)槭裁慈绱瞬环€(wěn)定？等等一系列問題，最合適的方法，也是最簡單粗暴的方法，就是采用足夠強大的“炮彈”去轟擊各種不同的元素，看看能不能打出一些新鮮東西出來。這就需要建造強大的離子加速器，離子就是原子失去了全部或者部分電子留下的粒子，離子加速器和粒子加速器一字之差，區(qū)別在于加速的物質(zhì)不同，重離子加速器一般加速的都是比α粒子要重的離子或原子核。

世界上典型的重離子加速器/對撞機是美國紐約布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC），它的周長為3.8公里，可以加速兩束金或其他重離子至高能量，并在四個探測器處使它們正面對撞。RHIC的科學目標是探索夸克-膠子等離子體，這種極端狀態(tài)下的物質(zhì)在2005年被成功發(fā)現(xiàn)。我國的蘭州重離子加速器（Heavy-Ion Research Facility at Lanzhou，簡稱HIRFL）于1976年開始建造，1988年建成，成功引出能量為每核子50兆電子伏特的碳離子束。HIRFL起初僅僅是一個占地400平米的“小家伙”，經(jīng)過幾十年的不斷升級改造，如今已是占地上萬平米的“大塊頭”。HIRFL成為了亞洲能量最高，國內(nèi)唯一的中高能重離子加速器，能夠提供不同能量、種類眾多的穩(wěn)定核束流和放射性核束流，既能夠用來開展核物理基礎(chǔ)科學研究，也能夠服務于航天器核心部件檢測、農(nóng)業(yè)育種和重離子治療癌癥等方面。HIRFL包含四臺串聯(lián)的加速器，前面兩臺是回旋加速器，負責把離子束初步加速，后面是兩臺重離子同步加速器，可以把離子加速到光速的0.8倍。然而相比于未來幾年即將投入運行的德國FAIR和美國FRIB等國際上新一代重離子加速器裝置，HIRFL的總體性能指標已明顯落后，將逐步失去國際競爭力。

強流重離子加速器裝置（HIAF）是HIRFL的升級版本，與HIRFL相比，具有更大規(guī)模、更高能量、更高束流強度等特點，并且各項性能指標將達到國際領(lǐng)先。它與加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS）共同落戶惠州，占地面積達到了900畝。HIAF建成之后，將是世界上第一臺集合了超導直線加速器、同步加速器和儲存環(huán)組合的先進重離子研究裝置，結(jié)合了直線加速器的高脈沖流強和同步加速器的高能量特點，還首次采用了基于全Nb3Sn超導磁體的45 GHz ECR離子源以及其他多項加速器的最新技術(shù)等。2024年，強流重離子加速器裝置各單體建筑土建施工完成，加速器主體設備全面進場安裝， 500 W低溫站和超導磁體完成調(diào)試， ECR離子源樣機研制成功，6000臺套工藝設備安裝基本完成……。2024年11-12月，HIAF成功完成常溫前端氧、氪、鉍等重離子調(diào)試出束。這一系列的工程進展順利為2025年HIAF的建成調(diào)試奠定了基礎(chǔ)。

HIAF將聚焦三個科學目標的研究：一是認識原子核內(nèi)有效相互作用，并利用極強低能重離子束流，嘗試合成新元素、為元素周期表打上“中國烙印”，研究超重元素化學性質(zhì)，探索理論預言的超重核穩(wěn)定島等；二是探索宇宙中從鐵到鈾元素的來源。宇宙中的元素大部分來自于不同天體活動，比如恒星內(nèi)部的核聚變、超新星爆發(fā)、中子星合并等極端事件，但是從鐵到鈾重元素的來源尚存在很多的爭議，重離子加速器可以模擬天體核合成事件，檢驗相關(guān)理論的正確性；三是可以把重離子作為“炮彈”來實現(xiàn)輻照應用，比如人為構(gòu)造柱狀缺陷來提高超導線帶材的載流能力，研究航空航天環(huán)境下的重離子輻照損傷，對一些核材料的進行性能評價和篩選等。未來，HIAF還將進一步升級，達到更高的能量和束流強度，對一些高能量密度物質(zhì)甚至量子電動力學效應展開研究，將回答基礎(chǔ)物理前沿的一系列尚待解決的問題。

讓我們共同期待HIAF正式投入運行的那一天。屆時，我國的核物理和核天體物理基礎(chǔ)研究條件將達到國際領(lǐng)先水平，重離子束應用研究也將具備世界最先進的實驗平臺。

2024年8月2日拍攝的強流重離子加速裝置

強流重離子加速裝置BRing磁鐵系統(tǒng)

強流重離子加速裝置ECR離子源

強流重離子加速裝置布局與實驗終端

來源: 返樸

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