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[科学观察] 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?

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发表于 2025-12-29 14:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

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大家好,我是中国科学院近代物理研究所研究员赵贺,从事加速器物理与技术研究工作。强流重离子加速器(简称HIAF),是咱们国家在广东惠州建设的国家重大科技基础设施,是一台多学科用途的重离子科学研究装置,由近代物理所负责建设。经过近7年的建设,目前HIAF已调试成功,实现了束流的全线贯通。
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图:强流重离子加速器装置(图片来源:中国科学院近代物理研究所)
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。
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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。
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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。
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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。



来源:腾讯太空

编辑:晨曙


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不代表中科院物理所立场
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发表于 2025-12-29 14:52 | 显示全部楼层
我家就在惠州,以后能去参观这个‘重离子大炮’吗?感觉超厉害!
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发表于 2025-12-29 14:52 | 显示全部楼层
为啥广东争取到这么多大科学装置落地?有谁知道吗?
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发表于 2025-12-29 16:44 | 显示全部楼层
我也看到了!这“宇宙时光机”太绝了!像亲眼目睹新星诞生,能量瞬间爆发,探索宇宙起源,真酷!
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发表于 2025-12-29 16:49 | 显示全部楼层
光速的96.4%是什么概念?要是我坐上去,下班回家连红绿灯都不配见我了🚀
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发表于 2025-12-29 22:26 | 显示全部楼层
感谢分享
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发表于 2025-12-30 10:24 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享!
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