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HIAF工程概况
发布时间:2017-01-22 19:31  访问量:4443

  重离子加速器是用人工方法产生高速离子束流的装置,是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,也是研发关乎经济社会发展和国家安全的先进核技术的平台。为了探索原子核存在极限和奇特结构、宇宙中从铁到铀元素的来源等重大前沿科学问题,中国科学院近代物理研究所提出建造重大科技基础设施─“强流重离子加速器装置”(High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility,简称HIAF)。HIAF建设地址为广东省惠州市,申请国家投资16.2148亿元,建设周期7年。

  HIAF由强流超导离子源SECR强流超导离子直线加速器iLinac增强器BRing高精度环形谱仪SRing低能核结构谱仪强流离子束辐照终端放射性次级束流分离器外靶实验终端电子-离子复合共振谱仪以及相关配套设施构成。

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强流重离子加速器(HIAF)项目总体布局图

  利用离子源产生从氢到铀的强流离子束,注入iLinac进行预加速。iLinac是BRing的注入器,也可为低能物理实验提供强流离子束。BRing利用相空间涂抹和束流冷却技术将离子束累积到高流强并加速到高能量,引出束流打靶产生放射性核素。放射性束流线分离和选择目标核并注入SRing。在等时性工作模式下,SRing精确测量短寿命原子核的质量;在收集工作模式下,SRing制备高品质放射性束流,既可开展内靶实验也可引出束流开展外靶实验。BRing在环内开展高电荷态离子的精细双电子复合实验。HIAF的设计充分考虑了将来升级的空间和能力,如果增建高能压缩环和高能电子加速器,可以产生短脉冲重离子束、极化质子束、极化电子束,为开展高能量密度物理研究以及高亮度、双极化电子-重离子/质子对撞实验提供先进平台。

  高流强、高能量、高束团功率是重离子加速器的发展趋势,束流指标愈先进就愈有可能引领相关科学研究并取得重大成果。世界科技强国正在或即将建设新一代重离子加速器。HIAF建成后,与国际同类装置比较,能够提供最强的中低能脉冲重离子束流,产生高功率的短脉冲、强聚焦、高能量重离子束团,开展高精度储存环物理实验。因此,HIAF在产生远离稳定线原子核、精确测量短寿命原子核质量方面极具优势。HIAF的主要科学技术目标是认识原子核内有效相互作用、理解宇宙中重元素的来源等。

  认识原子核内有效相互作用。原子核是由强相互作用将质子和中子聚合在一起的量子多体系统。目前,对核内长程强相互作用的认识有限,只能假定各种有效相互作用形式,采用不断修正的唯象模型描述原子核的结构和性质。远离稳定线原子核的特点是价核子的束缚能低、连续态的耦合影响大、同位旋效应显著,可能导致核内有效相互作用发生显著变化,凸现某种成分、呈现新的相互作用形式。利用HIAF,可以将研究原子核幻数和壳层结构在远离稳定线核区的演化、奇特原子核的晕结构和集团结构、弱束缚核参与的反应机制,确定有效相互作用中三体力、张量力和同位旋相关的成分,探索核内有效相互作用的新形式,发展描述弱束缚核性质的理论。此外,利用极强低能重离子束流,能够尝试合成新元素、研究超重元素化学性质、探索理论预言的超重核稳定岛。

  理解宇宙中从铁到铀重元素的来源。宇宙大爆炸初期只产生了氢、氦和少量的锂,其它元素是在各种天体场所通过核过程生成的。目前,人们已理解了铁以下元素合成的机制和天体场所。天体物理界普遍认为快中子俘获过程应该产生宇宙中约一半的从铁到铋的元素、以及原子量大于209的全部元素。但是,尚不清楚快中子俘获过程发生的天体环境和场所,也不确定核合成的具体路径。美国物理学界将“从铁到铀的元素是如何产生的”列为本世纪待解决的11个重大物理问题之一。通过HIAF产生位于快中子俘获路径上的丰中子核素,系统测量它们的质量、寿命以及相关反应率,利用实验数据模拟重元素的丰度分布,通过比较模拟和观测结果,以探索快中子俘获的路径、时间标度、物理环境和天体场所,理解宇宙中从铁到铀重元素的来源。

  HIAF项目建设法人单位是中国科学院近代物理研究所。近代物理研究所通过“1.5米经典回旋加速器”、“分离扇重离子回旋加速器”和“兰州重离子加速器冷却储存环”三代国家大科学工程建设和运行,掌握了具有自主知识产权的离子加速器核心技术,积累了丰富的大科学装置建造、运行和管理经验,形成了素质优良、年龄结构合理、专业种类齐全、勇于创新、团结协作的高水平加速器工程建设和相关科学研究队伍,具备承建大型离子加速器装置的能力。自2010年1月以来,成立了HIAF项目领导小组,组建了总体设计、分系统设计和重点科学目标预研工作组。通过与国内外专家讨论、组织专题研讨会、赴国外著名实验室交流的方式,确定了核心科学目标、掌握了关键技术、研制了部分样机。目前,已完成了总体设计,有能力按照计划全面优质完成工程建设。

  总之,HIAF集成离子超导直线加速器和环形同步加速器最先进的技术,是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置。建成后,HIAF将为核物理和核天体物理基础研究创造国际领先水平的条件;为重离子束应用研究提供先进的实验平台;为核能开发、核安全及核技术应用提供理论、方法、技术和人才支撑。依托HIAF,将使我国重离子科学研究从“紧跟”走向“并行”、并逐步实现“引领”,形成在国际上具有重大影响的重离子科学研究中心。