引领核科学前沿的重要平台——探访全球首台“三合一”强流重离子加速器装置

　　科技日报记者 叶青

　　在广东惠州稔平半岛，几座红色建筑拔地而起，其中两座尤为引人瞩目：一个形如圆角三角形，一个好似巨型操场跑道。地下13米深处，还藏着一条两公里长的隧道。这里安放着的，正是国家重大科技基础设施——强流重离子加速器装置（HIAF）。

　　7月21日，HIAF顺利通过工艺验收。验收专家组一致认为，HIAF综合性能达到国际同类装置领先水平，实现了我国强流重离子加速器装置跨越发展。至此，这项工程的所有建设内容都已收官，装置正式进入试运行，并开始向科学研究敞开大门。

　　“HIAF是世界首台把超导直线加速器、同步加速器和储存环集于一体的先进重离子研究装置。”中国科学院近代物理研究所副所长、强流重离子加速器总工程师杨建成介绍。它提供目前国际上脉冲流强最高的重离子束流，配有精度最高的核质量环形谱仪，为核科学前沿和重离子重大应用提供一流的研究平台。

　　创新提出六维相空间涂抹新方案

　　HIAF到底是什么？杨建成打了个比方：它既是“超级显微镜”，又是“离子大炮”。

　　通俗点说，重离子加速器就是用人工办法造出高速离子束流，让它们精准轰击靶材，撞出大量粒子碎片。科学家再分析这些碎片，就能层层剥开物质内部的微观结构。

　　早在20世纪80年代，我国就建成第一台大型重离子加速器——兰州重离子加速器。为什么还要建HIAF？杨建成笑着说：“随着科学研究不断向极微观深入、向极端条件迈进，建造高性能、高流强重离子加速器，已成为推动核科学前沿发展的迫切需求。”

　　中国科学院近代物理研究所于2009年提出建设HIAF的构想。2018年12月，HIAF在惠州正式启动建设，并于2025年10月首次成功出束。

　　整个装置的起点，藏在地下13米深处，那里有一套超导离子源。它的工作是把原子的部分电子剥掉，让原子变成带电离子，并先给它们初始能量。

　　新一代加速器最核心的指标就是“高流强”。如何让离子源产生更强的束流，也是当前国际上研究的焦点。“这是我们自研的国际首台第四代超导电子回旋共振（ECR）离子源。”加速器技术中心加速器总体室负责人申国栋指着一台白色大机器告诉记者，“团队将微波频率提升到45吉赫兹，创造了国际ECR离子源最高流强纪录。”

　　这台离子源采用的脉冲束流运行模式，通过精确的时序控制，让离子束在最佳条件下实现瞬时引出。“这一过程如同精确调控发动机油门与点火时序，使离子束在‘起跑瞬间’即达到最优工作状态。”申国栋说。

　　创新远不止于此。要把大量粒子累积到超高流强，还得让它们保持整齐不乱——这可是世界级难题，国际上20余年来无重大突破。而团队提出的“六维相空间涂抹+独立时钟堆积”全新方法，不仅把过去局限于二维空间的注入方式拓展到六维，还打破周长比限制。

　　“这好比先给亿万发‘离子子弹’编排阵列操，让它们在相空间上均匀散开，再用独立时钟精准指挥离子，分批、交错地注入到主加速器。”杨建成形象地解释，“实现毫秒级同步无干扰，最终累积成实验所需的高强度、高品质离子束流。”

　　正是这一突破，让HIAF的流强累积增益较国际最高水平提升了10倍，束流损失降低了1个量级。

　　刷新国际重离子束脉冲流强纪录

　　“HIAF核心设备实现了全国产化。”杨建成自豪地说，“我们建成了国际上脉冲流强最高的重离子加速器！”

　　这份底气，来自团队十六年如一日的坚持和敢啃“硬骨头”的执着。

　　为让重离子束流畅通无阻，团队首先要铺设“高速公路”——真空管道。“重离子每秒钟大约要跑几十万圈。这激烈的场面，容不得半粒灰尘，否则束流会与气体分子碰撞而‘失事’。”加速器技术中心真空技术室工程师焦纪强亮出了独门秘籍：国际首创的骨架内衬超薄壁极高真空室。

　　这个真空室的蒙皮薄如蝉翼，厚度仅有0.3毫米，相当于3张A4纸摞起来；内部用3D打印的钛合金骨架撑着，厚度也就4毫米。里面的真空度，比月球表面还高。而且这一设计不光结实、涡流小，还大幅降低了工程造价。

　　跑得快，还得跑得稳。在HIAF的电源系统里，增强器二极磁铁脉冲电源扮演着束流运行“精准舵手”的角色。团队研制出全球首台非谐振变前励全储能快循环脉冲电源，解决了电源脉冲运行时电流极速变化与高精度控制的难题。

　　该电源实现了38000安/秒的国际最快电流上升速率，同时跟踪误差小于0.2安。“这相当于在从北京到上海的高速公路上，一辆时速约14万公里的超级赛车，全程偏离车道的距离不超过20厘米。”加速器技术中心电源技术室副主任王晓俊说。

　　束流持续“奔跑”，需要源源不断的动力。将重离子束流加速至高能量，离不开束流的“超级发动机”——高频系统。然而，该系统核心部件“大尺寸油冷磁合金环”，曾面临国外的严格禁售与技术封锁。

　　“装置正式开工时，这个部件尚未研发出来，大家压力山大。”加速器技术中心高频技术室主任丛岩回忆。当时与国内多家厂家合作进展缓慢，样品难以满足要求。他们从源头材料反复实验，最终成功研制出国产高性能磁合金环，核心性能参数超越国际同类产品60％以上。

　　得益于全链条自主创新，HIAF实现16小时2公里束线全线贯通，创造了国际同类装置束流调试速度新纪录。HIAF典型氧离子束与铋离子束流强均刷新国际纪录，将原国际最高指标分别提高了3倍和7.5倍。许多以往需要耗费数月甚至数年时间积累数据的实验，未来或可在数日甚至数小时内完成。

　　有望合成中国人自己的新元素

　　HIAF束线总长2公里，搭载了6000台大型设备、500多万个零部件和150万米长的工艺管线。如此规模庞大、系统复杂的科学装置，国际上往往需要两到三年的安装时间，而HIAF团队构建起全系统数字孪生协同平台，硬是把建设周期缩至8个月。目前，该套技术已推广到合肥先进光源、先进阿秒激光设施等多个大科学装置的建设中。

　　作为全球首台“超导直线+快循环同步+级联储存环”加速器大科学装置，HIAF独特的“三合一”构型带来了两大核心优势：一是全离子种类，使其能满足多学科领域的研究需求；二是超高流强，意味着可提供更丰富的实验数据，产生更多以往难以生成的新核素，助力科研人员发现新的物理现象。

　　杨建成充满期待地说：“有了这台大科学装置，我国科学家有望合成中国人自己的新元素，将五星红旗插到元素周期表上。”目前，元素周期表已有118号元素，第七周期已被填满。美、俄、德、日等国已成功合成15种新元素并以各自国家或地名命名。探索合成119号、120号新元素，正是HIAF的重要科学目标之一。

　　除了探索原子核存在极限，装置投用后，还将聚焦揭示核天体物理过程、推动核能开发和多学科应用等目标。比如，HIAF还能用于航天器抗辐射性能测试，推动核能开发和功能材料研发，更将在民生方面发挥出巨大作用，如推动重离子治癌与医用同位素药物的研发，应用于作物育种、食品保鲜等。目前，基于HIAF先进技术转化的新一代普惠型重离子放疗装置，已落地惠州市中心人民医院。

　　值得一提的是，团队还为未来留了一手。“超导直线加速器隧道长度近400米，目前安装了100多米，剩余的200多米专为后续升级迭代预留。”申国栋说，这种前瞻性设计让大科学装置能够从容适应未来不断变化的科研需求。

　　“从无到有，从跟跑到引领，我们把中国方案刻进了世界科技版图，建成了引领核科学前沿及重大应用的‘国之重器’。”杨建成表示，在新起点上，期待能为广大用户提供高性能高品质束流，助力产出重大成果。