我國最強“重離子大炮”，強流重離子加速器在廣東惠州落成，強在哪？

大家好，我是中國科學院近代物理研究所研究員趙賀，從事加速器物理與技術研究工作。強流重離子加速器（簡稱HIAF），是咱們國家在廣東惠州建設的國家重大科技基礎設施，是一臺多學科用途的重離子科學研究裝置，由近代物理所負責建設。經過近7年的建設，目前HIAF已調試成功，實現了束流的全線貫通。

圖：強流重離子加速器裝置（圖片來源：中國科學院近代物理研究所）。

重離子加速器是一種能夠將重離子加速到接近光速的裝置。高速運動的重離子（如碳、金、鈾等元素的原子核）就像“微觀炮彈”，它們能轟擊目標原子核，產生極端的溫度、壓力和能量狀態，用以探索微觀世界奧秘和宇宙元素起源之謎等重大科學問題，被譽為現代核物理研究中的“超級顯微鏡”和“宇宙時光機”。同時，重離子加速器在醫學、材料、航天等領域也有著廣泛的應用。

把重離子加速至接近光速需要幾步？

時至今日，粒子加速器大家族已經有了很多成員，如靜電加速器、回旋加速器、直線加速器以及同步加速器等。它們的結構各異，但加速原理都基本相同：利用電場作為“發動機”推動帶電粒子獲得高能量，利用磁場作為“方向盤”控制粒子的運動軌跡。

現代大型粒子加速器通常采用多級加速器組合的方式工作，以兼顧不同類型加速器的特點和優勢，實現成本與效率最優化。以HIAF為例，其主要結構和加速流程包括以下幾個步驟：

超導ECR離子源：是整個裝置的起點，也是產生帶電離子的源頭。它將中性原子剝去電子，制造帶正電的離子，并提供初步加速；

超導直線加速器：是束流加速的“中間站”，其具備高梯度加速電場，為離子提供初始動能；

增強器：這是一個環形同步加速器，如同束流狂奔的“超級跑道”，通過同步變化的電磁場引導離子束持續繞圈并加速，進一步將重離子加速到接近光速；

束流傳輸與碰撞靶區：控制離子束進入實驗終端，與目標相撞，產生豐富的次級粒子和新現象，供科學家探測和分析。

圖：HIAF項目總體布局圖 （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）。

“強流重離子加速器”（HIAF）的特色：強流

“強流”意味著加速器中離子數量大幅增加。強流加速器是未來眾多前沿實驗的關鍵前提，也是粒子加速器發展的主要方向。

目前，世界上有其他不少重離子加速器，比如美國布魯克海文國家實驗室的“相對論重離子對撞機”、德國GSI的重離子加速器裝置、日本的“放射性同位素束流工廠”以及我國的“蘭州重離子研究裝置”等等。然而，基于現有的加速器條件，大量理論預研仍難以在實驗中得到有效檢驗，諸多重大科學問題也亟待深入探索，比如：元素周期表的極限在哪里？宇宙中比鐵重的重元素是如何合成的？質子的質量與自旋源自何處？

重大的科學發現往往隱藏在極其稀有的事件中。如果單次實驗里參與碰撞的離子數目太少，導致有效打靶或碰撞的概率太低，研究者就不得不反復進行實驗，甚至需要花費數年才能收集到足夠的實驗數據。因此，研究者迫切需要性能更加強大、束流強度更高的重離子加速器。

圖：HIAF增強器BRing（圖片來源：中國科學院近代物理研究所）。

作為束流指標領先的全離子加速器，HIAF能夠提供國際峰值流強最高的中低能脈沖重離子束流，以及國際上精度最高的核質量測量譜儀。如同一臺超級大炮，HIAF能夠加速的離子數比傳統加速器高出千倍甚至萬倍，這也就是其名字中“強流”的含義。以氧離子為例，HIAF一次加速的數量可達數千億個，速度接近光速的96.4%。這意味著，在一秒鐘內，科學家能指揮海量的離子運動約29萬公里，相當于繞地球7.2圈，實在是太酷了！

HIAF不僅能在實驗室里創造各種研究所需的極端束流條件，還能大幅提升實驗效率。它就像一臺能夠“壓縮時間”的時光機，許多原本需要長時間積累的實驗數據，現在可能在一天甚至幾小時內就能完成。

法國著名的數學家、天文學家拉普拉斯曾表示：“對數，可以縮短計算時間，在實效上等于把天文學家的壽命延長了許多倍。”同理，HIAF在實效上也等于把物理學家的壽命延長了。

除了流強高，HIAF 的特色還在于其寬能區與多功能集成的設計，具備從百萬電子伏特每核子（MeV/u）到十億電子伏特每核子（GeV/u）的寬能區加速能力，具有極高的實驗靈活性與多樣性。

為實現國際領先的束流指標，HIAF的工程建設經歷了前所未有的挑戰。歷經十年攻堅，團隊在多項核心關鍵技術方面取得突破：成功研制國際首臺第四代電子回旋共振離子源，建成毫安級連續波強流超導直線加速器，攻克非諧振超快加速所需的真空、電源、高頻等核心技術，實現了國際上最快的非諧振加速速率，最終構建起完整的高性能重離子加速器系統。

圖 ：HIAF高精度環形譜儀SRing （圖片來源：中國科學院近代物理研究所）。

“強流重離子加速器”（HIAF）有哪些重要用途？

借助這臺“超級重離子大炮”，我們可以從微觀世界穿越到宇宙起源的深處，幫助科學家探索“物質從何而來、宇宙如何演化”這樣的重大基礎科學問題，還能研發出改變未來生活的尖端科技，推動重離子束應用的發展。HIAF將在基礎研究、民生應用、國家安全等諸多方面發揮舉足輕重的作用。

在基礎研究方面，未來將在這里誕生大量稀有的新核素，幫助科學家尋找原子核存在的邊界，并有望率先合成新的元素，探索“超重核穩定島”。同時，它還能揭示一些奇特的原子核結構，發現新物理現象。HIAF還能對次級核素進行高精度測量，特別是測量核天體物理中的關鍵核素質量，為揭示重元素起源與宇宙演化提供實驗依據。

在應用研究方面，HIAF將為高能量密度物理研究提供先進條件，為探索重離子驅動慣性約束聚變開辟新的途徑；依托HIAF建設先進的粒子束輻照平臺，將支撐材料科學、空天探測、先進核能等領域研究，助力核電與航天材料可靠性提升；HIAF 還能推動重離子治癌與新型醫用同位素藥物的研發，助力高端醫療技術發展，為人類健康點亮生命之光。

重離子加速器是科學與工程交匯的里程碑，是通向宇宙深處與物質微觀的“粒子之橋”。它不僅是加速粒子的裝置，更是一部承載科技夢想的“時間機器”。HIAF的運行，將為我國重離子科學研究創造國際領先的實驗條件，將開啟核科學研究的全新時代。

文章轉載自“騰訊太空”微信公眾號