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重磅！世界最强重离子“大炮”即将上线

2025-08-01 16:30:18

【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、理解宇宙元素起源以及辐照应用等多个领域提供国际领先的实验平台。本文将带您深入了解HIAF的建设背景、科技亮点及未来展望，共同期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(sù)器(qì)装(zhuāng)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(sè)福(fú)提(tí)出(chū)的(de)原(yuán)子(zi)有(yǒu)核(hé)结(jié)构(gòu)模(mó)型(xíng)。α粒(lì)子(zi)散(sàn)射(shè)实(shí)验(yàn)开(kāi)启(qǐ)了(le)近(jìn)代(dài)核(hé)物(wù)理(lǐ)研(yán)究(jiū)的(de)篇(piān)章(zhāng)。经(jīng)过(guò)百(bǎi)余(yú)年(nián)的(de)研(yán)究(jiū)，人(rén)们(men)不(bù)仅(jǐn)摸(mō)清(qīng)楚(chu)了(le)元(yuán)素(sù)周(zhōu)期(qī)表(biǎo)中(zhōng)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(bèi)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(yuán)子(zi)核(hé)内(nèi)有(yǒu)效(xiào)相(xiāng)互(hù)作(zuò)用(yòng)，并(bìng)利(lì)用(yòng)极(jí)强(qiáng)低(dī)能(néng)重(zhòng)离(lí)子(zi)束(shù)流(liú)，尝(cháng)试(shì)合(hé)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力，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量子电动力学效应展开研究，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。