大家好，我是中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研究員趙賀，從事加速器物理與技術(shù)研究工作。強(qiáng)流重離子加速器（簡(jiǎn)稱(chēng)HIAF），是咱們國(guó)家在廣東惠州建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，是一臺(tái)多學(xué)科用途的重離子科學(xué)研究裝置，由近代物理所負(fù)責(zé)建設(shè)。經(jīng)過(guò)近7年的建設(shè)，目前HIAF已調(diào)試成功，實(shí)現(xiàn)了束流的全線(xiàn)貫通。

圖：強(qiáng)流重離子加速器裝置（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所）。

重離子加速器是一種能夠?qū)⒅仉x子加速到接近光速的裝置。高速運(yùn)動(dòng)的重離子（如碳、金、鈾等元素的原子核）就像“微觀(guān)炮彈”，它們能轟擊目標(biāo)原子核，產(chǎn)生極端的溫度、壓力和能量狀態(tài)，用以探索微觀(guān)世界奧秘和宇宙元素起源之謎等重大科學(xué)問(wèn)題，被譽(yù)為現(xiàn)代核物理研究中的“超級(jí)顯微鏡”和“宇宙時(shí)光機(jī)”。同時(shí)，重離子加速器在醫(yī)學(xué)、材料、航天等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

把重離子加速至接近光速需要幾步？

時(shí)至今日，粒子加速器大家族已經(jīng)有了很多成員，如靜電加速器、回旋加速器、直線(xiàn)加速器以及同步加速器等。它們的結(jié)構(gòu)各異，但加速原理都基本相同：利用電場(chǎng)作為“發(fā)動(dòng)機(jī)”推動(dòng)帶電粒子獲得高能量，利用磁場(chǎng)作為“方向盤(pán)”控制粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。

現(xiàn)代大型粒子加速器通常采用多級(jí)加速器組合的方式工作，以兼顧不同類(lèi)型加速器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)成本與效率最優(yōu)化。以HIAF為例，其主要結(jié)構(gòu)和加速流程包括以下幾個(gè)步驟：

超導(dǎo)ECR離子源：是整個(gè)裝置的起點(diǎn)，也是產(chǎn)生帶電離子的源頭。它將中性原子剝?nèi)ル娮?，制造帶正電的離子，并提供初步加速；

超導(dǎo)直線(xiàn)加速器：是束流加速的“中間站”，其具備高梯度加速電場(chǎng)，為離子提供初始動(dòng)能；

增強(qiáng)器：這是一個(gè)環(huán)形同步加速器，如同束流狂奔的“超級(jí)跑道”，通過(guò)同步變化的電磁場(chǎng)引導(dǎo)離子束持續(xù)繞圈并加速，進(jìn)一步將重離子加速到接近光速；

束流傳輸與碰撞靶區(qū)：控制離子束進(jìn)入實(shí)驗(yàn)終端，與目標(biāo)相撞，產(chǎn)生豐富的次級(jí)粒子和新現(xiàn)象，供科學(xué)家探測(cè)和分析。

圖：HIAF項(xiàng)目總體布局圖 （圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所）。

“強(qiáng)流重離子加速器”（HIAF）的特色：強(qiáng)流

“強(qiáng)流”意味著加速器中離子數(shù)量大幅增加。強(qiáng)流加速器是未來(lái)眾多前沿實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵前提，也是粒子加速器發(fā)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(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)”、德國(guó)GSI的重離子加速器裝置、日本的“放射性同位素束流工廠(chǎng)”以及我國(guó)的“蘭州重離子研究裝置”等等。然而，基于現(xiàn)有的加速器條件，大量理論預(yù)研仍難以在實(shí)驗(yàn)中得到有效檢驗(yàn)，諸多重大科學(xué)問(wèn)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(zhì)子的質(zhì)量與自旋源自何處？

重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)往往隱藏在極其稀有的事件中。如果單次實(shí)驗(yàn)里參與碰撞的離子數(shù)目太少，導(dǎo)致有效打靶或碰撞的概率太低，研究者就不得不反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，甚至需要花費(fèi)數(shù)年才能收集到足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，研究者迫切需要性能更加強(qiáng)大、束流強(qiáng)度更高的重離子加速器。

圖：HIAF增強(qiáng)器BRing（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所）。

作為束流指標(biāo)領(lǐng)先的全離子加速器，HIAF能夠提供國(guó)際峰值流強(qiáng)最高的中低能脈沖重離子束流，以及國(guó)際上精度最高的核質(zhì)量測(cè)量譜儀。如同一臺(tái)超級(jí)大炮，HIAF能夠加速的離子數(shù)比傳統(tǒng)加速器高出千倍甚至萬(wàn)倍，這也就是其名字中“強(qiáng)流”的含義。以氧離子為例，HIAF一次加速的數(shù)量可達(dá)數(shù)千億個(gè)，速度接近光速的96.4%。這意味著，在一秒鐘內(nèi)，科學(xué)家能指揮海量的離子運(yùn)動(dòng)約29萬(wàn)公里，相當(dāng)于繞地球7.2圈，實(shí)在是太酷了！

HIAF不僅能在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造各種研究所需的極端束流條件，還能大幅提升實(shí)驗(yàn)效率。它就像一臺(tái)能夠“壓縮時(shí)間”的時(shí)光機(jī)，許多原本需要長(zhǎng)時(shí)間積累的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在可能在一天甚至幾小時(shí)內(nèi)就能完成。

法國(guó)著名的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯曾表示：“對(duì)數(shù)，可以縮短計(jì)算時(shí)間，在實(shí)效上等于把天文學(xué)家的壽命延長(zhǎng)了許多倍?！蓖恚琀IAF在實(shí)效上也等于把物理學(xué)家的壽命延長(zhǎng)了。

除了流強(qiáng)高，HIAF 的特色還在于其寬能區(qū)與多功能集成的設(shè)計(jì)，具備從百萬(wàn)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(qū)加速能力，具有極高的實(shí)驗(yàn)靈活性與多樣性。

為實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先的束流指標(biāo)，HIAF的工程建設(shè)經(jīng)歷了前所未有的挑戰(zhàn)。歷經(jīng)十年攻堅(jiān)，團(tuán)隊(duì)在多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破：成功研制國(guó)際首臺(tái)第四代電子回旋共振離子源，建成毫安級(jí)連續(xù)波強(qiáng)流超導(dǎo)直線(xiàn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最快的非諧振加速速率，最終構(gòu)建起完整的高性能重離子加速器系統(tǒng)。

圖 ：HIAF高精度環(huán)形譜儀SRing （圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所）。

“強(qiáng)流重離子加速器”（HIAF）有哪些重要用途？

借助這臺(tái)“超級(jí)重離子大炮”，我們可以從微觀(guān)世界穿越到宇宙起源的深處，幫助科學(xué)家探索“物質(zhì)從何而來(lái)、宇宙如何演化”這樣的重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，還能研發(fā)出改變未來(lái)生活的尖端科技，推動(dòng)重離子束應(yīng)用的發(fā)展。HIAF將在基礎(chǔ)研究、民生應(yīng)用、國(guó)家安全等諸多方面發(fā)揮舉足輕重的作用。

在基礎(chǔ)研究方面，未來(lái)將在這里誕生大量稀有的新核素，幫助科學(xué)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(wěn)定島”。同時(shí)，它還能揭示一些奇特的原子核結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象。HIAF還能對(duì)次級(jí)核素進(jìn)行高精度測(cè)量，特別是測(cè)量核天體物理中的關(guān)鍵核素質(zhì)量，為揭示重元素起源與宇宙演化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

在應(yīng)用研究方面，HIAF將為高能量密度物理研究提供先進(jìn)條件，為探索重離子驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變開(kāi)辟新的途徑；依托HIAF建設(shè)先進(jìn)的粒子束輻照平臺(tái)，將支撐材料科學(xué)、空天探測(cè)、先進(jìn)核能等領(lǐng)域研究，助力核電與航天材料可靠性提升；HIAF 還能推動(dòng)重離子治癌與新型醫(yī)用同位素藥物的研發(fā)，助力高端醫(yī)療技術(shù)發(fā)展，為人類(lèi)健康點(diǎn)亮生命之光。

重離子加速器是科學(xué)與工程交匯的里程碑，是通向宇宙深處與物質(zhì)微觀(guān)的“粒子之橋”。它不僅是加速粒子的裝置，更是一部承載科技?jí)粝氲摹皶r(shí)間機(jī)器”。HIAF的運(yùn)行，將為我國(guó)重離子科學(xué)研究創(chuàng)造國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)條件，將開(kāi)啟核科學(xué)研究的全新時(shí)代。

文章轉(zhuǎn)載自“騰訊太空”微信公眾號(hào)