【導語】在中國廣東惠州市惠東縣黃埠鎮的海(hǎi)邊(biān)，一(yī)座(zuò)規(guī)模(mó)宏(hóng)大(dà)的(de)科(kē)學(xué)裝(zhuāng)置(zhì)正(zhèng)在(zài)悄(qiāo)然(rán)崛(jué)起(qǐ)——強(qiáng)流(liú)重(zhòng)離(lí)子(zi)加(jiā)速(sù)器(qì)裝(zhuāng)置(zhì)（HIAF）。自(zì)2018年(nián)啟(qǐ)動(dòng)建(jiàn)設(shè)以(yǐ)來(lái)，HIAF預(yù)計(jì)將於2025年落成，屆(jiè)時(shí)將(jiāng)成(chéng)為(wèi)世(shì)界(jiè)上(shàng)脈(mài)衝(chōng)流(liú)強(qiáng)最(zuì)高(gāo)的(de)重(zhòng)離(lí)子(zi)加(jiā)速(sù)器(qì)。作(zuò)為(wèi)中(zhōng)國(guó)科(kē)學(xué)院(yuàn)物(wù)理(lǐ)研(yán)究(jiū)所(suǒ)的(de)重(zhòng)要(yào)項(xiàng)目(mù)，HIAF不(bù)僅(jǐn)代(dài)表(biǎo)著(zhe)中(zhōng)國(guó)在(zài)核物理研究領域的重大突破，還將為探索原子核結構、合成新元素、理解宇宙元素起源以及輻照應用等多個領域提供國際領先的實驗平台。本文將帶您深入了解HIAF的建設背景、科技亮點及未來展望，共同期待這一科學巨擘的正式運行。

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，就會發現海邊悄然出現了兩個“環”：大環像一個磨圓了角的正三角形，小環像一個操場跑道。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），它於於2018年(nián)12月(yuè)23日(rì)正(zhèng)式(shì)啟(qǐ)動(dòng)建(jiàn)設(shè)，即(jí)將(jiāng)在(zài)2025年(nián)落(luò)成(chéng)。在(zài)HIAF， 你(nǐ)將(jiāng)見(jiàn)證(zhèng)世(shì)界(jiè)上(shàng)脈(mài)衝(chōng)流(liú)強(qiáng)最(zuì)高(gāo)的(de)重(zhòng)離(lí)子(zi)束(shù)流(liú)，是(shì)當(dāng)之(zhī)無(wú)愧(kuì)的(de)重(zhòng)離(lí)子(zi)“大(dà)炮(pào)”。

那(nà)麽(me)，什(shén)麽(me)是(shì)重(zhòng)離(lí)子(zi)加(jiā)速(sù)器(qì)裝置？它的建成有什麽應用價值呢？我國的強流重離子加速器裝置究竟采用什麽先進科技呢？

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。結果他們發現，絕大部分粒子都“如入無人之境”地穿透金箔，偏轉的角度很小。但是有大約1/8000的α粒子入射前後角度偏轉大於90°，甚至極少數幾乎原路返回。這意味著，原子內部絕大(dà)部(bù)分(fēn)都(dōu)是(shì)“空(kōng)空(kōng)如(rú)也(yě)”，原(yuán)子(zi)的質量可能集中在它的核上麵——這也就是盧瑟福提出的原子有核結構模型。α粒子散射實驗開啟了近代核物理研究的篇章。經過百餘年的研究，人們不僅摸清楚了元素周期表中118個元素的原子結構，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質子數量(liàng)一(yī)樣，但中子數量不同。目前，人們發現穩定核素有271種，其餘都是放射性同位素，換句話說，絕大部分核素都是不穩定的，隨時可能發生衰變成為其他的核素。

對於核物理學家來說，要想搞清楚核素有哪些？它們是怎麽產生的？它們為什麽如此不穩定？等等一係列問題，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，區別在於加速的物質不同，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公裏，可以加速兩束金或其他重離子至高能量，並在四個探(tàn)測(cè)器(qì)處(chù)使(shǐ)它們正麵對撞。RHIC的科學目標是探索誇克-膠子等離子體，這種極端狀態下的物質在2005年被成功發現。我國的蘭州重離子加速器（Heavy-Ion Research Facility at Lanzhou，簡稱HIRFL）於1976年開始(shǐ)建(jiàn)造(zào)，1988年(nián)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“小家夥”，經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、種類眾多的穩定核束流和放射性核束流，既能夠用來開展核物理基礎科學研究，也能夠服務於航天器核心部件檢測、農業育種和重離子治療癌症等方麵。HIRFL包含四台串聯的加速器，前麵兩台是回旋加速器，負責把離子束初步加速，後麵是兩台重離子同步加速器，可以把離子加速到光速的0.8倍。然而相比於未來幾年即將投入運行的(de)德(dé)國(guó)FAIR和(hé)美(měi)國(guó)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後，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，具有更大規模、更高能量、更高束流強度等特點，並且各項性能指標將達到國際領先。它與加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS）共同落戶惠州，占地麵積達到了900畝。HIAF建成之後，將是世界上第一台集合了超導直線加速器、同步加速器和儲存環組合的先進重離子研究裝置，結合了直線加速器的高脈衝流強和同步加速器的高能量特點，還首次采用了基於全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等。2024年，強流重離子加速器裝置各單體建築土建施工完成，加速器主體設備全麵進場安裝， 500 W低溫站和超導磁體完成調試， ECR離子源樣機研製成功，6000台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、鉍等重離子調試出束。這一係列的工程進展順利為2025年HIAF的建成調試奠定了基礎。

HIAF將聚焦三個科學目標的研究：一是認識原子核內有效相互作用，並利用極強低能重離子束流，嚐試合成新元素、為元素周期表打上“中國烙印”，研究超重元素化學性質，探索理論預言的超重核穩定島等；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於不同天體活動，比如恒星內部的核聚變、超新星爆發、中子星合並等極端事件，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，檢驗相關理論的正確性；三是可以把重離子作為“炮彈”來實現輻照應用，比如人為構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甚至量子電動力學效應展開研究，將回答基礎物理前沿的一係列尚待解決的問題。

讓糖心免费视频共同期待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研究條件將達到國際領先水平，重離子束應用研究也將具備世界最先進的實驗平台。

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磁鐵係統

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