我国最强“重离子大炮”，强流重离子加速器在广东惠州落成，强在哪？

本文来自微信公众号： 腾讯太空 ，作者：赵贺，原文标题：《科学重器 | 我国最强“重离子大炮”，强流重离子加速器在广东惠州落成，强在哪？》

重离子加速器是一种能够将重离子加速到接近光速的装置。高速运动的重离子（如碳、金、铀等元素的原子核）就像“微观炮弹”，它们能轰击目标原子核，产生极端的温度、压力和能量状态，用以探索微观世界奥秘和宇宙元素起源之谜等重大科学问题，被誉为现代核物理研究中的“超级显微镜”和“宇宙时光机”。同时，重离子加速器在医学、材料、航天等领域也有着广泛的应用。

把重离子加速至接近光速需要几步？

时至今日，粒子加速器大家族已经有了很多成员，如静电加速器、回旋加速器、直线加速器以及同步加速器等。它们的结构各异，但加速原理都基本相同：利用电场作为“发动机”推动带电粒子获得高能量，利用磁场作为“方向盘”控制粒子的运动轨迹。

现代大型粒子加速器通常采用多级加速器组合的方式工作，以兼顾不同类型加速器的特点和优势，实现成本与效率最优化。以HIAF为例，其主要结构和加速流程包括以下几个步骤：

超导ECR离子源：是整个装置的起点，也是产生带电离子的源头。它将中性原子剥去电子，制造带正电的离子，并提供初步加速；

超导直线加速器：是束流加速的“中间站”，其具备高梯度加速电场，为离子提供初始动能；

增强器：这是一个环形同步加速器，如同束流狂奔的“超级跑道”，通过同步变化的电磁场引导离子束持续绕圈并加速，进一步将重离子加速到接近光速；

束流传输与碰撞靶区：控制离子束进入实验终端，与目标相撞，产生丰富的次级粒子和新现象，供科学家探测和分析。

图：HIAF项目总体布局图（图片来源：中国科学院近代物理研究所）。

“强流重离子加速器”（HIAF）的特色：强流

“强流”意味着加速器中离子数量大幅增加。强流加速器是未来众多前沿实验的关键前提，也是粒子加速器发展的主要方向。

目前，世界上有其他不少重离子加速器，比如美国布鲁克海文国家实验室的“相对论重离子对撞机”、德国GSI的重离子加速器装置、日本的“放射性同位素束流工厂”以及我国的“兰州重离子研究装置”等等。然而，基于现有的加速器条件，大量理论预研仍难以在实验中得到有效检验，诸多重大科学问题也亟待深入探索，比如：元素周期表的极限在哪里？宇宙中比铁重的重元素是如何合成的？质子的质量与自旋源自何处？

重大的科学发现往往隐藏在极其稀有的事件中。如果单次实验里参与碰撞的离子数目太少，导致有效打靶或碰撞的概率太低，研究者就不得不反复进行实验，甚至需要花费数年才能收集到足够的实验数据。因此，研究者迫切需要性能更加强大、束流强度更高的重离子加速器。

图：HIAF增强器BRing（图片来源：中国科学院近代物理研究所）。

作为束流指标领先的全离子加速器，HIAF能够提供国际峰值流强最高的中低能脉冲重离子束流，以及国际上精度最高的核质量测量谱仪。如同一台超级大炮，HIAF能够加速的离子数比传统加速器高出千倍甚至万倍，这也就是其名字中“强流”的含义。以氧离子为例，HIAF一次加速的数量可达数千亿个，速度接近光速的96.4%。这意味着，在一秒钟内，科学家能指挥海量的离子运动约29万公里，相当于绕地球7.2圈，实在是太酷了！

HIAF不仅能在实验室里创造各种研究所需的极端束流条件，还能大幅提升实验效率。它就像一台能够“压缩时间”的时光机，许多原本需要长时间积累的实验数据，现在可能在一天甚至几小时内就能完成。

法国著名的数学家、天文学家拉普拉斯曾表示：“对数，可以缩短计算时间，在实效上等于把天文学家的寿命延长了许多倍。”同理，HIAF在实效上也等于把物理学家的寿命延长了。

除了流强高，HIAF的特色还在于其宽能区与多功能集成的设计，具备从百万电子伏特每核子（MeV/u）到十亿电子伏特每核子（GeV/u）的宽能区加速能力，具有极高的实验灵活性与多样性。

为实现国际领先的束流指标，HIAF的工程建设经历了前所未有的挑战。历经十年攻坚，团队在多项核心关键技术方面取得突破：成功研制国际首台第四代电子回旋共振离子源，建成毫安级连续波强流超导直线加速器，攻克非谐振超快加速所需的真空、电源、高频等核心技术，实现了国际上最快的非谐振加速速率，最终构建起完整的高性能重离子加速器系统。

图：HIAF高精度环形谱仪SRing（图片来源：中国科学院近代物理研究所）。

“强流重离子加速器”（HIAF）有哪些重要用途？

借助这台“超级重离子大炮”，我们可以从微观世界穿越到宇宙起源的深处，帮助科学家探索“物质从何而来、宇宙如何演化”这样的重大基础科学问题，还能研发出改变未来生活的尖端科技，推动重离子束应用的发展。HIAF将在基础研究、民生应用、国家安全等诸多方面发挥举足轻重的作用。

在基础研究方面，未来将在这里诞生大量稀有的新核素，帮助科学家寻找原子核存在的边界，并有望率先合成新的元素，探索“超重核稳定岛”。同时，它还能揭示一些奇特的原子核结构，发现新物理现象。HIAF还能对次级核素进行高精度测量，特别是测量核天体物理中的关键核素质量，为揭示重元素起源与宇宙演化提供实验依据。

在应用研究方面，HIAF将为高能量密度物理研究提供先进条件，为探索重离子驱动惯性约束聚变开辟新的途径；依托HIAF建设先进的粒子束辐照平台，将支撑材料科学、空天探测、先进核能等领域研究，助力核电与航天材料可靠性提升；HIAF还能推动重离子治癌与新型医用同位素药物的研发，助力高端医疗技术发展，为人类健康点亮生命之光。

重离子加速器是科学与工程交汇的里程碑，是通向宇宙深处与物质微观的“粒子之桥”。它不仅是加速粒子的装置，更是一部承载科技梦想的“时间机器”。HIAF的运行，将为我国重离子科学研究创造国际领先的实验条件，将开启核科学研究的全新时代。

21世纪以来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科研重器蓬勃涌现：“中国天眼”聆听深空电磁波，“阿里计划”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙线观测站”探测超高能粒子，“人造太阳”攻关聚变能源，“高能同步辐射光源”解析微观结构等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。腾讯新闻推出《20问中国20大科学重器》大型特别策划，邀请20位科学家，给出从宇宙起源到未来能源的权威解读。