國際首臺低能量強流高電荷態重離子研究裝置通過驗收

　　12月7日至9日，國際首臺低能量強流高電荷態重離子研究裝置在中國科學院近代物理研究所（以下簡稱“近代物理所”）成功通過國家自然科學基金委員會組織的專家驗收。該裝置由45吉赫茲超導高電荷態電子回旋共振（ECR）離子源、高壓平臺、強流多電荷態束流分析和制備系統等多個子系統組成，旨在為核天體物理、原子物理等前沿基礎研究以及核能材料研發提供先進的實驗條件。

　　該項目總負責人、中國科學院院士趙紅衛介紹：“當前國際上雖有多個重離子裝置在建或已建成，但在多學科交叉前沿基礎研究領域和國家需求的重要應用領域仍缺乏多功能、小型化的低能量強流重離子加速器裝置。我們自主研發成功世界首臺獨立運行的低能量強流高電荷態重離子加速器裝置，可為核天體物理、原子物理等前沿基礎研究和核能材料研發等重要應用提供先進的實驗條件。”

低能量強流高電荷態重離子研究裝置。葉滿山攝。

　　原理揭秘：低能量強流高電荷態重離子加速器

　　重離子加速器，這一探索物質世界微觀奧秘的利器，通過加速比阿爾法粒子更重的離子，為科學家打開了通往未知世界的大門。電子回旋共振離子源核心原理在于利用微波加熱等離子體，通過磁場約束等離子體中的電子，使電子在磁場中旋轉并加速，進而通過碰撞剝離原子外層電子，形成高電荷態的重離子。這一過程要求強大的磁場和微波技術，以及精密的束流控制和分析系統，以確保產生的重離子束具有高強度、高電荷態和寬能量變化范圍。

　　該低能量強流高電荷態重離子研究裝置由45吉赫茲超導高電荷態電子回旋共振（ECR）離子源、高壓平臺、強流多電荷態束流分析和制備系統、連續波新型射頻四極場（RFQ）重離子加速器、中能束流傳輸線、束流診斷系統和輔助配套等子系統組成。該裝置可提供從輕到重多種電荷態的強流重離子束和混合離子束，具有強度高、電荷態高、離子種類多、能量變化范圍寬等諸多優勢。

　　該裝置超導離子源研制負責人、中國科學院近代物理研究所加速器技術中心副主任孫良亭介紹：“強流高電荷態重離子束的產生是滿足新一代強流重離子加速器的關鍵。我們研制的第四代高電荷態電子回旋共振離子源可產生相當于國際上其他實驗室同類裝置最高性能2倍以上的束流強度，為解決下一代強流高功率重離子加速器關鍵束流物理與技術問題奠定了堅實的基礎。”

中國科學院院士趙紅衛正在研究裝置工作。葉滿山攝。

　　十年磨一劍：核心設備實現國產化

　　自2015年項目立項以來，該裝置研發團隊便瞄準了國際最高水平，全力攻堅強流高電荷態重離子束產生和低能量加速的技術難題。經過十年的艱苦研發，團隊成功研制出世界上磁場和微波頻率最高的超導高電荷態電子回旋共振離子源，以及束流強度最高的連續波射頻四極場重離子加速器。

　　這兩項核心技術的突破，不僅創造了國際上電子回旋共振離子源的最高流強紀錄，更為我國未來在重離子加速器技術領域的發展奠定了堅實基礎。趙紅衛院士回顧了研發歷程：“自項目立項以來，近代物理所裝置研發團隊歷時約10年時間瞄準國際最高水平全力攻堅，搶占強流高電荷態重離子束產生和低能量加速的國際制高點。我們自主研發解決了一系列技術瓶頸問題，該裝置運行穩定，其核心設備總體性能處于世界領先水平。”

　　在研發過程中，團隊成功研制出世界上磁場和微波頻率最高的超導高電荷態電子回旋共振離子源，以及束流強度最高的連續波射頻四極場重離子加速器。這些核心設備的國產化，不僅降低了裝置的成本和依賴性，更為我國未來在重離子加速器技術領域的發展奠定了堅實基礎。

　　孫良亭表示：“在研發過程中，團隊面臨了諸多技術挑戰，其中最為關鍵的是超導磁體的研制。超導磁體需要在極低溫度下運行，且結構復雜，對材料和技術要求極高。經過六年多的艱苦攻關，團隊終于成功研制出接近12特斯拉的超導磁體，為裝置的穩定運行提供了有力保障。”他還提到，團隊攻克了離子源微波耦合、束流傳輸與聚焦等一系列技術難題，確保了裝置的整體性能達到國際領先水平。

　　值得一提的是，該裝置的核心設備均實現了國產化。這一成就不僅降低了裝置的成本和對外依賴性，更為我國高端科研儀器的自主化發展樹立了典范。趙紅衛表示：“我們自主研發解決了一系列技術瓶頸問題，該裝置運行穩定，其核心設備總體性能處于世界領先水平。這標志著我國在重離子加速器技術領域邁出了堅實的一步。”

低能量強流高電荷態重離子研究裝置。葉滿山攝。

　　應用前景：核電抗輻照材料和芯片制造離子注入機的新助力

　　該裝置的成功研制，不僅標志著我國在重離子加速器技術領域取得了重大突破，利用該裝置提供的重離子束還可在世界上率先開展低能量高電荷態離子碰撞實驗研究，在低能區對恒星平穩核燃燒過程的一些關鍵核反應截面進行直接測量，從而有望解決一些國際上多年來懸而未決的核天體物理重要科學問題。

　　此外，隨著全球對清潔能源需求的不斷增長，核電作為一種低碳、高效的能源形式，其安全性和經濟性備受關注。該裝置提供的強流重離子束可用于新一代核電反應堆抗輻照材料研究，有助于核電產業的可持續發展。

　　據悉，在核電領域，該裝置提供的重離子束可用于模擬核反應堆中的中子輻照損傷，為研發抗輻照性能優異的新型核能材料提供實驗平臺。趙紅衛指出：“圍繞國家新一代核能發展的迫切需求，利用該裝置提供的強流重離子束還可開展核能材料輻照損傷模擬和快速評價篩選等研究，研發抗輻照性能優異的新型材料，為我國核電事業的發展提供有力支撐。”

　　同時，該裝置所涉及到的核心技術可應用于高能量離子注入機，為半導體離子摻雜等工藝提供新的解決方案。

　　目前，隨著芯片集成度的不斷提高，對離子注入與摻雜工藝的要求也越來越高。該裝置所能夠產生的高流強、高電荷態重離子束，為實現更精確、更高效的高能量離子注入提供了可能。孫良亭副主任表示：“高電荷態重離子束技術不僅在基礎研究領域有重要應用，其在民用領域，如芯片制造中的離子注入技術，同樣具有巨大潛力。我們期待這一技術能夠為我國的半導體產業發展貢獻力量。”