强流重离子加速器通过工艺验收装置转入试运行

强流重离子加速器通过工艺验收 装置转入试运行

7 月 21 日，坐落于广东惠州的国家重大科技基础设施强流重离子加速器装置（HIAF）顺利通过中国科学院工艺验收。由8位院士、15位高校与院所顶尖专家组成的验收专家组一致认定，该装置的验收指标全部达到并均优于设计指标。这标志着我国建成一台可全面探索微观极限、支撑多重国家战略需求的重离子 “超级科研平台”，装置正式迈入科学试运行阶段。

作为全球唯一集超导直线、快循环同步、级联储存环于一体的复合型重离子装置，HIAF 从 历经十六年集智攻关，2018 年底破土动工，彻底攻克强流束动力学、超高真空、高精度准直、全域电磁兼容等一系列世界级难题，实现从离子源到实验终端全技术链条自主创新。验收现场，中国科学院近代物理研究所副所长、HIAF总工程师杨建成感慨：“超高流强是新一代重离子装置的核心命脉。从束流动力学底层方案、真空腔体结构到高频核心材料，是一套完整、独立的中国自主技术体系。”

强流重离子加速器装置航拍图。近代物理研究所供图。

为何 “强流” 是核心王牌？

重离子加速器是人类探究原子核、还原恒星演化、支撑航天、核能、医疗产业的核心国之重器，束流强度是决定装置科研能力的重要因素之一。流强越高，单位时间产出离子数量越多，越能捕捉转瞬即逝的物理现象。

HIAF 最核心的突破，是彻底打破国际流强天花板。工艺测试数据显示，氧离子束与铋离子束流强指标均优于工程设计指标，并刷新了国际重离子束脉冲流强新纪录，分别将原国际最高指标提高了3倍和7.5倍。

以氧离子为例，单次加速的离子数量可达数千亿个，速度可达光速的96.4%。HIAF将极大提升实验效率，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。

杨建成介绍：“高流强是新一代离子加速器最核心的性能指标，要实现超高流强指标，面临一系列世界级的动力学难题和技术挑战。”

据悉，超高流强将赋予装置独一无二的科研能力。一方面，它能批量产生极丰中子、缺中子短寿命新核素，拓展人类已知原子核版图。另一方面，超高通量离子束可模拟恒星内部核反应、极端辐照环境，为核天体物理、航天元器件检测、聚变能源研究提供不可替代的实验条件。

除流强优势外，独特设计实现了全方位能力。超导离子源（SECR）是整个装置的起点。在此，原子的一部分核外电子被剥离，形成带电的离子，并获得初始能量。

随后，离子进入超导直线加速器（iLinac），在射频电场的推动下不断加速，速度迅速提升。接着，离子束进入能量增强器（BRing）——一个环形同步加速器，在同步电磁场的作用下不断绕圈并反复经过加速电场，被进一步加速至接近光速。最终，这些高速重离子犹如“微观炮弹”，被引导进入实验靶区，可以轰击目标原子核或彼此对撞，产生极端高温、高压与高能量的实验条件，或产生各种次级粒子和新现象，助力科学家探索物质深层次结构。

杨建成告诉记者：“超高流强是我们最核心的王牌，依托这个优势，我们有能力冲击119、120号超重新元素，有望在元素周期表上留下中国自主发现的新元素。”

强流重离子加速器装置。叶满山摄。

核心团队实现全链条创新突围

HIAF整套装置包含6000台套非标设备、500万个零部件、超百万米工艺管线。国外长期封锁加速器核心技术，且没有成熟的海外工程模板可借鉴。

团队走出了一条数字孪生驱动的自主建造新路。杨建成说，整套装置最核心、最难突破的关卡，落在超高流强束流稳定运行这一世界级难题上。

在超高流强运行工况下，离子相互产生的空间电荷排斥效应以及离子和残余气体分子的碰撞会大幅加剧束流损失，这一技术瓶颈已经困扰国际重离子加速领域二十余年。

加速器总体室负责人申国栋介绍：“针对这一世界级难题，科研团队实现束流动力学原始创新，在国际上首次提出六维相空间填充注入方案，将传统二维束流涂抹模式拓展至四维，搭配独立时钟纵向堆积捕捉技术，实现累积增益大幅提升。”

这一突破，使HIAF 的流强累积效率较国际最高水平提升了 10 倍，束流损失降低了1 个量级。想要长久稳定维持超高流强，离不开整套智能控制体系支撑。作为HIAF 的 “大脑” 与 “神经网络”，加速器控制系统可完成大科学装置数据高速采集、实时传输、处理、存储的难题，实现对HIAF这一由成千上万个精密子系统构成的“科学巨器”的融合精准操控。

团队自主研发了大规模加速器集群控制系统LACCS，已形成“通信-控制-存储-分析”全链条自主可控软件生态，实现了我国加速器大科学装置核心软件的完全国产化。

该系统的运行，有力推动了HIAF快速出束，实现4小时主加速器成功出束、16小时2公里束线全线贯通，创造了大型加速器束流调试速度新纪录，对保障加速器高稳定、高效率、高可靠性科学运行至关重要。

在核心加速性能上，装置将离子加速时长从秒级压缩至毫秒级，束流重复频率实现数十倍提升，而电源系统是束流运行的“精准舵手”。HIAF的超高束流强度，对电源系统的高精度控制和稳定性提出了前所未有的极限要求。为此，科研团队创新研发了非谐振变前励全储能快循环脉冲电源。它通过微秒级的电流调节，精确控制磁场的强度，从而引导接近光速的离子毫厘不差地运动，确保束流沿着固定轨道运行。

该电源可实现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。这就像从北京到上海的高速公路上，一辆时速约14万公里的赛车，全程不能偏离预定轨道超过0.2米。

“同时，这类电源还有能量回收功能，快速启动时储能系统提供约1兆焦的能量，制动减速时又可将能量回收存储，供下次启动重复利用。”电源技术室负责人吴凤军表示，这种设计能使电网负载波动大幅降低，对配电功率减小了15倍，不仅能使电网保持在相对平稳的最佳工况，还实现了电源的绿色低碳运行。

HIAF实现电源、真空、高频、磁铁四大核心硬件系统的全面国产原创，多项关键指标稳居全球首位。其中，团队在国际上首创大尺寸超薄壁骨架内衬极高真空室，真空度优于5×10 -12 毫巴，接近月球表面真空度，是当前国际同类装置中“最洁净”的“束流高速公路”。

真空技术室高级工程师刘建龙表示：“团队通过‘3D打印钛合金内衬骨架（厚度仅4毫米）+0.3毫米超薄壁蒙皮（约3张A4纸厚）’的低涡流、极高真空室方案。相较国外传统方案，既满足结构强度与低涡流需求，还大幅降低了工程造价。”

真空系统的创新精髓在于“净”与“薄”，为离子高速飞行扫清阻碍。而驱动粒子持续提速的核心动力，则来自高频加速系统。

“重离子束流要加速至高能量，还离不开我们研制的束流‘超级发动机’。”高频系统负责人丛岩表示，高频系统，会产生高压射频电场。当粒子在增强器（BRing)中绕圈飞奔，每经过这个电场时，就会像冲浪一样被“推”着不断加速，从而获得更高的能量。

该高频系统单腔最大电压超过70千伏，是我国目前运行中的单腔电压最高的油冷磁合金高频系统，为HIAF突破流强瓶颈提供了核心“动力”。

装置聚焦“探索原子核存在极限、揭示核天体物理过程、推动核能开发和多学科应用”三大目标，将为核科学前沿和重离子重大应用提供国际领先的研究平台，显著提升我国重离子科学与技术领域的创新能力，打造具有重大国际影响的重离子科学研究中心。

主题：离子|强流重离子加速器装置