把10个原子核从海量反应物碎片里挑出来，需要多大的耐心？
今年8月，位于广东惠州的强流重离子加速器装置（HIAF）公布了调试期间的首个重要物理成果：科研人员从海量反应产物中，辨认出10个稀有原子核铪-153。这种粒子极难产生，找出它，好比从沙滩上筛出几粒带特殊印记的沙。而这种肉眼看不见的“沙”，恰恰是人类用以探查原子核世界的钥匙。
今年7月21日，HIAF作为国家重大科技基础设施，顺利通过工艺验收，正式进入试运行阶段，各项指标达到国家要求并优于设计指标，其产生的束流强度是此前国际同类装置最高水平的几倍。此外，HIAF也是世界首台将超导直线加速器、同步加速器和储存环集成于一体的重离子研究装置。
那么，为什么要耗时10多年建造这样一台装置？该装置又怎样让数量庞大的粒子跑得快、聚得拢、测得准？它的出现又将给科学研究和现实生活带来哪些影响？请看本期解读。
强流重离子加速器装置通过工艺验收——
探寻原子世界的“未知疆界”
■宋可旸 涂一可
强流重离子加速器装置俯视图（无人机照片）。新华社发
在核素图的空白处
HIAF寻找的，是藏在原子核深处的秘密。
当我们把所有已知原子核标在一张图上，就会得到一幅核素图。在这张图里，能稳定存在的核素只挤在一条狭窄地带，有些核素刚生成便转瞬即逝。可偏偏是这些罕见的核素，标出了原子核能延伸到哪里，也帮助我们加深对物质世界的认识。例如，我们所熟悉的用来查甲状腺的碘-131、用来探测文物年代的碳-14，都是这张核素图上的某个点。
如何找到这些核素？实验里，通常使用高速重离子轰击靶材，撞出大量碎片，科研人员再从中辨认想要的那一种粒子。粒子越多，碰撞越密，极罕见反应露面的机会才越大，寻找未知核素的可能性也才越大。而这也正是重离子加速器追求高束流强度的原因。
我国早有兰州重离子研究装置在运行，多年支撑着核物理和重离子应用研究，也在合成新核素、重离子治癌等方面有过多项成果。但随着研究不断深入，向捕捉更罕见核素的方向推进，原有的实验条件渐渐触到了天花板：要想捕捉到更罕见的核素反应，需要更强的流强、更高的能量、更精细的测量，对于这3项要求，兰州重离子研究装置已经难以同时满足。正是在这一背景下，HIAF应运而生，它要做的，并不是简单地把机器装置造得更大，而是让装置产生、加速、分离和测量核素的能力迈上新台阶。
从构想到落地，HIAF研发人员走过了10多年时间：从2009年提出建设构想，到2018年12月开工建设，再到2025年10月实现首次释放束流，最终于今年7月通过工艺验收。如今，作为世界首台将超导直线加速器、同步加速器和储存环集成于一体的重离子研究装置，它可以将几种原本分置的能力收进同一台机器，为那些过去想研究却难以研究的问题提供了新的实验条件。
让粒子跑得快、聚得拢、测得准
实现“强流”，不是单纯地把开关拧大就能实现。随着粒子的增多，难题也接踵而至——
同号粒子相互排斥，束流越强，空间电荷效应越明显，粒子更容易膨胀、偏离轨道甚至丢失；粒子与真空室内残余气体碰撞，还可能改变电荷状态；同步加速过程中，磁铁、电源、高频和真空系统又必须在极短时间内协同变化……高流强如果控制不好，不仅不会产生更多有效粒子，反而可能造成更大的束流损失。因此，让海量粒子聚在一起并不算成功，只有把它们安全、稳定地送到实验终点，强流才真正有用。
如果把重离子实验看成一场接力跑，HIAF中的不同系统就是一棒接一棒的队员。前面的系统负责造出粒子并使其加速，中间的负责储存和调控，后面的则负责分离和辨认，其中的任何一棒都不能掉链子。围绕这趟接力跑，HIAF科研团队逐段攻关，形成了全链条自主技术体系，攻克了3道关键技术难关。
——更快的加速节奏。粒子进入增强器系统后，沿环形轨道一圈圈奔跑，每转一圈就能再获得一些能量。而HIAF增强器的磁场上升率达到每秒12特斯拉，快循环脉冲电源的电流上升率也达到每秒3.8万安培。已知地球磁场只有约十万分之五特斯拉，这套增强器，则使磁场在一秒钟之内从零攀升到地磁场的20多万倍，其能量强度可想而知。随后，磁场负责把粒子拽回到正确轨道，高频系统负责在恰当时刻继续加速，电源负责提供动力。几套系统仿佛组成了一支训练有素的乐队，在同一节拍上精准配合。
——更聪明的束流累积。为了解决上文所说的大量同号粒子相互排斥问题，科研人员创新提出六维相空间涂抹注入方法：用3个位置坐标加3个动量坐标完整描述每个粒子的运动状态，让一批批粒子在位置、方向和速度上有序铺开，减少过度拥挤。这就像体育场让观众从不同入口、分时进入不同座区，即便空间有限，也能容纳更多人。同时，科研人员配合独立时钟堆积技术，束流累积增益较此前国际最高水平提高10倍，而束流损失降低一个数量级。
——更稳定的轨道。束流要稳定奔跑，轨道环境也必须足够稳定。HIAF研制出约0.3毫米厚的超薄壁真空室，并用三维打印钛合金骨架支撑。管壁只有0.3毫米的超薄厚度，是为了减小快速变化磁场在金属中引起的涡流；管内被抽成真空，是为了不让高速粒子撞上残余气体……束流越稳，后端测出的质量才越准，医用同位素、材料分析才有可靠底气。
当粒子抵达靶区并发生碰撞后，任务还没有结束。反应碎片混作一团，要通过放射性束流线先把它们分开、筛选，再送入高精度环形谱仪。不同原子核在环形谱仪中飞行的时间和状态有细微差别，探测器据此判断它是谁、质量是多少。
可以这样说，HIAF中的每个系统都缺一不可，正是这些系统紧密配合，才能精准发现一闪而过的罕见核素。
从科学发现走向更广阔的未来
对HIAF来说，建成只是起点，能否持续产出原创成果，才是检验HIAF这个大科学装置价值的关键。HIAF试运行前后，已经显露锋芒：今年4月，高精度环形谱仪对金-202原子核的质量测量精度大大提高，较此前国际最高精度提高了1倍；随后，铪-153粒子被实验确认发现，成为装置调试期间首个重要物理成果，把核素图的边界又往外推了一步。
在超重核与新元素研究领域，HIAF同样备受期待。元素周期表上已确认118种元素，再往前发展，就要面对发生概率更低、存在时间更短的反应。强束流能增加极罕见反应露面的机会，为探索119号、120号元素及更远的核素区域提供新的实验条件。
不过，新元素的合成不是粒子足够多就一定能成功：反应路径怎么选、靶材料能否承受、碎片怎样分离、信号如何确认，HIAF必须经过每一关的考验，同时最终结果还要经得起重复验证。
此外，HIAF产生的重离子束，用途也不仅在于寻找新核素。在空间科学领域，航天器材料和电子器件可以先送到重离子束下，接受一轮辐射轰击的考验，看它们是否具有扛住太空射线冲击的能力；在材料科学领域，材料科学家可以借助它观察物质在极端条件下结构的改变过程；相关技术还能向核能、生命科学和医用同位素制备等方向拓展……你或许听过用重离子治疗肿瘤，这类精准放疗已在国内部分医院开展，而HIAF更稳更强的束流，有望支撑下一代放射性药物与精准放疗研究。对不同领域的研究者来说，HIAF像一片蓝海，同一束粒子在不同的探索环境下，能回答不同的问题。
不过，这些应用前景并不会随着装置开机自动到来。从稳定供束到靶站承受能力，从分离效率到探测灵敏度，HIAF仍要在试运行中一道一道磨合；科研成果要真正走进医疗、工业等领域，还要经过专用设备研制、工艺验证和临床或产业检验。大科学装置为我们提供了工具和条件、汇聚人才与问题，但每一项收获，都需要装置的稳定运行和长期培育。
从10个铪-153粒子被成功辨认，到向核素图的更远处进发，HIAF的发现之旅才刚刚开始。未来，当航天器的芯片因HIAF的作用变得更可靠，当元素周期表翻到119号元素所在的那一页，人类或将继续追问原子核的边界究竟在哪里，并把对微观世界的认识，一格一格继续向前推进。
