重磅！世界最强重离子“大炮”即将上线

无人机

行业应用 2025-08-01 16:30:53

【导语】在中国广东惠州市惠东县黄埠镇的海边，一座规模宏大的科学装置正在悄然崛起——强流重离子加速器装置（HIAF）。自2018年启动建设以来，HIAF预计将于2025年落成，届时将成为世界上脉冲流强最高的重离子加速器。作为中国科学院物理研究所的重要项目，HIAF不仅代表着中国在核物理研究领域的重大突破，还将为探索原子核结构、合成新元素、理解宇(yǔ)宙(zhòu)元(yuán)素(sù)起(qǐ)源(yuán)以(yǐ)及(jí)辐(fú)照(zhào)应(yīng)用(yòng)等(děng)多(duō)个(gè)领(lǐng)域提(tí)供(gōng)国(guó)际(jì)领(lǐng)先(xiān)的(de)实(shí)验(yàn)平(píng)台(tái)。本(běn)文将(jiāng)带(dài)您(nín)深(shēn)入(rù)了(le)解(jiě)HIAF的(de)建(jiàn)设(shè)背(bèi)景(jǐng)、科(kē)技(jì)亮(liàng)点(diǎn)及(jí)未(wèi)来(lái)展(zhǎn)望(wàng)，共(gòng)同(tóng)期(qī)待这一科学巨擘的正式运行。

撰文丨罗会仟中国科学院物理研究所

如果你最近路过广东惠州市惠东县黄埠镇，就会发现海边悄然出现了两个“环”：大环像一个磨圆了角的正三角形，小环像一个操场跑道。这就是建设中的强流重离子加速器装置（High Intensity heavy-ion Accelerator Facility，简称HIAF），它于于2018年12月23日正式启动建设，即将在2025年落成。在HIAF，你将见证世界上脉冲流强最高的重离子束流，是当之无愧的重离子“大炮”。

那么，什么是重离子加速器装置？它的建成有什么应用价值呢？我国的强流重离子加速器装置究竟采用什么先进科技呢？

1909年，英国的卢瑟福等人利用α粒子，也就是氦原子核，作为“炮弹”去轰击金箔。结果他们发现，绝大部分粒子都“如入无人之境”地穿透金箔，偏转的角度很小。但是有大约1/8000的α粒子入射前后角度偏转大于90°，甚至极少数几乎原路返回。这意味着，原子内部绝大部分都是“空空如也”，原子的质量可能集中在它的核上面——这也就是卢瑟福提出的原子有核结构模型。α粒子散射实验开启了近代核物理研究的篇章。经过百余年的研究，人们不仅摸清楚了元素周期表中118个元素的原子结构，还认识到它们的3100多种核同位素，简称“核素”。也就是同一个元素周期表位置可能拥有多个不同原子，它们核外电子和核内质子数量一样，但中子数量不同。目前，人们发现稳定核素有271种，其余都是放射性同位素，换句话说，绝大部分核素都是不稳定的，随时可能发生衰变成为其他的核素。

对于核物理学家来说，要想搞清楚核素有哪些？它们是怎么产生的？它们为什么如此不稳定？等等一系列问题，最合适的方法，也是最简单粗暴的方法，就是采用足够强大的“炮弹”去轰击各种不同的元素，看看能不能打出一些新鲜东西出来。这就需要建造强大的离子加速器，离子就是原子失去了全部或者部分电子留下的粒子，离子加速器和粒子加速器一字之差，区别在于加速的物质不同，重离子加速器一般加速的都是比α粒子要重的离子或原子核。

世界上典型的重离子加速器/对撞机是美国纽约布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC），它的周长为3.8公里，可以加速两束金或其他重离子至高能量，并在四个探测器处使它们正面对撞。RHIC的科学目标是探索夸克-胶子等离子体，这种极端状态下的物质在2005年被成功发现。我国的兰州重离子加速器（Heavy-Ion Research Facility at Lanzhou，简称HIRFL）于1976年开始建造，1988年建成，成功引出能量为每核子50兆电子伏特的碳离子束。HIRFL起初仅仅是一个占地400平米的“小家伙”，经过几十年的不断升级改造，如今已是占地上万平米的“大块头”。HIRFL成为了亚洲能量最高，国内唯一的中高能重离子加速器，能够提供不同能量、种类众多的稳定核束流和放射性核束流，既能够用来开展核物理基础科学研究，也能够服务于航天器核心部件检测、农业育种和重离子治疗癌症等方面。HIRFL包含四台串联的加速器，前面两台是回旋加速器，负责把离子束初步加速，后面是两台重离子同步加速器，可以把离子加速到光速的0.8倍。然而相比于未来几年即将投入运行的德国FAIR和美国FRIB等国际上新一代重离子加速器装置，HIRFL的总体性能指标已明显落后，将逐步失去国际竞争力。

强流重离子加速器装置（HIAF）是HIRFL的升级版本，与HIRFL相比，具有更大规模、更高能量、更高束流强度等特点，并且各项性能指标将达到国际领先。它与加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）共同落户惠州，占地面积达到了900亩。HIAF建成之后，将是世界上第一台集合了超导直线加速器、同步加速器和储存环组合的先进重离子研究装置，结合了直线加速器的高脉冲流强和同步加速器的高能量特点，还首次采用了基于全Nb3Sn超导磁体的45 GHz ECR离子源以及其他多项加速器的最新技术等。2024年，强流重离子加速器装置各单体建筑土建施工完成，加速器主体设备全面进场安装， 500 W低温站和超导磁体完成调试， ECR离子源样机研制成功，6000台套工艺设备安装基本完成……。2024年11-12月，HIAF成功完成常温前端氧、氪、铋等重离子调试出束。这一系列的工程进展顺利为2025年HIAF的建成调试奠定了基础。

HIAF将聚焦三个科学目标的研究：一是认识原子核内有效相互作用，并利用极强低能重离子束流，尝试合成新元素、为元素周期表打上“中国烙印”，研究超重元素化学性质，探索理论预言的超重核稳定岛等；二是探索宇宙中从铁到铀元素的来源。宇宙中的元素大部分来自于不同天体活动，比如恒星内部的核聚变、超新星爆发、中子星合并等极端事件，但是从铁到铀重元素的来源尚存在很多的争议，重离子加速器可以模拟天体核合成事件，检验相关理论的正确性；三是可以把重离子作为“炮弹”来实现辐照应用，比如人为构造柱状缺陷来提高超导线带材的载流能(néng)力(lì)，研究航空航天环境下的重离子辐照损伤，对一些核材料的进行性能评价和筛选等。未来，HIAF还将进一步升级，达到更高的能量和束流强度，对一些高能量密度物质甚至(zhì)量(liàng)子(zi)电(diàn)动(dòng)力(lì)学效应展开研究，将回答基础物理前沿的一系列尚待解决的问题。

让我们共同期待HIAF正式投入运行的那一天。届时，我国的核物理和核天体物理基础研究条件将达到国际领先水平，重离子束应用研究也将具备世界最先进的实验平台。