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HIAF-从兰州到惠州的下一代中国核物理旗舰

2026-07-12

2018年12月23日，广东惠州。中国科学院近代物理研究所的总工程师杨建成站在一片红土地上，宣布强流重离子加速器装置——HIAF——正式开工。七年后的2025年10月27日，同一台机器实现了全线束流通路——从超导离子源SECR到超导直线加速器iLinac，再到快循环同步加速器BRing，最后送进碎片分离器HFRS和谱仪环SRing。束流打到了终端靶上——中国下一代核物理旗舰诞生了。

七年前提出来的设计指标不是激进的——它们是"如果中国要进入核物理国际最前沿就必须达到"的下限。两条指标定义了HIAF在全球加速器版图上的位置。第一个是脉冲流强：重离子束——从氧到铀——在每个加速器周期内能塞进多少离子。第二个是能量上限：在束流打靶前——这些离子被推到多快。

2025年10月的首次全面调试给出的数字超出了设计预期。氧离子束的脉冲流强达到国际同类装置最高指标的2.5倍。铋离子束——重核加速的终极考验——脉冲流强达到国际最高指标的8倍。2026年3月，杨建成作为全国政协委员在北京接受《科技日报》采访时宣告："HIAF两项指标全球领先。"这不是外交辞令——这是加速器物理界的硬数据。

要理解这组数字的意义，需要先理解HIAF为什么以这种方式建造。

HIAF的加速器架构是世界首例"超导直线+快循环同步加速器+级联储存环"三重结构。传统重离子加速器要么是回旋加速器（如RIKEN RIBF的超导回旋加速器SRC——能量高但流强低、脉冲结构固定），要么是直线加速器（如FRIB的超导直线——流强高但能量有限、不循环）。HIAF把中国在超导直线加速器上的技术积累（来自兰州HIRFL的几十年运行经验）和一种全新的快循环同步加速器BRing——非谐振、磁场上升速率极快——串联在一起。直线推上去的连续束团被BRing捕获、堆叠、再加速、然后一次性快引出——将流强和能量同时推向极限。

这个堆叠-快引出的概念来自杨建成团队提出的"双平面+独立时钟"注入新方案。核心挑战在于：当你把一批接一批的离子从直线加速器注入同步加速器时——每批离子的到达时间和BRing磁场周期必须精确锁定——否则后来的离子会撞上前面的。杨建成的方案用两个独立的时钟系统——一个追踪直线、一个追踪BRing——在注入平面上让时钟差恰好补偿离子的飞行时间差。这听起来微小——但它解决了重离子同步加速器中一个困扰了二十年的瓶颈：你如何在保持超高流强的同时避免束流损失大到不可接受。

2025年12月29日，HIAF和HIRFL两个装置在惠州联合召开了年度发展战略研讨会。18位院士和30多位专家出席。杨建成汇报的是："提前实现了束流全线贯通。"此前最乐观的时间表是2025年底初步贯通、2026年全面试运行。实际上——2025年10月就贯通了。

现在这个机器有三条物理干线——每一条都有对应的核心仪器。第一条：HFRS——惠州碎片反冲分离器。第二条：SRing——高精度环形谱仪。第三条：CEE——冷却储存环外靶实验谱仪。

先说HFRS——这台近200米长的电磁碎片分离器是把初级束流变成放射性次级束流的"中央厨房"。你拿BRing引出的800 MeV/u铀-238去打一块旋转石墨靶，碎裂、裂变、散裂产物像弹片一样向前方飞射。HFRS的工作是——把这些弹片按质量、电荷和动量逐一挑出来——然后把你要的那颗（也许是N=126等中子数的一个从未被观测到的超丰中子核）送到下游实验终端。

HFRS分两阶段：初级分离器（pre-separator）和主分离器（main-separator）——每级约95米——中间夹一块楔形材料（铝或石墨降能器）做Bρ-ΔE-Bρ三步过滤。第一阶段按磁刚度（动量/电荷）粗分。楔形材料利用不同核素在材料中能量损失的微小差异——轻核损得多，重核损得少——进一步退相干。第二阶段再做一次磁刚度选——此时混合物的"分拣度"已经足够清晰了。

Phase-I（已建成、已在调试）用常导磁铁——最大磁刚度13.2 Tm。Phase-II（未来升级）用超导CCT/DCT磁铁——把磁刚度推到25 Tm。13.2 Tm意味着什么？你用800 MeV/u的铀-238初级束——HFRS能传输碎裂产物中磁刚度最高13.2 Tm的那一批。超出这个的——比如碎裂产生的接近束流速度的轻核——HFRS抓不到。推到25 Tm就能抓住几乎所有碎裂产物。

HFRS上装了多种探测器系统来精确识别每一个离子。三台双胞胎MUSIC（多重取样电离室）——安装在焦点面F4和F6上——测量离子的能量损失（ΔE）。能量分辨率<1.04%——意味着你能可靠地区分Z=50（锡）和Z=51（锑）。TPC（时间投影室）做位置和磁刚度重建——空间分辨到亚毫米——单通道计数率>180 kHz。飞行时间系统（金刚石探测器+塑料闪烁体）给出速度。四套数据合在一起——Z（从MUSIC的ΔE）、A/q（从TPC重建的Bρ）、速度（从TOF）——完整的核素鉴别链就闭合了。

HFRS的前端靶——一块辐射冷却的旋转石墨盘——承受着最高3.5 kW的束流沉积功率（在快速引出铀束的极端条件）。石墨盘旋转速度与束流斑尺寸有严格的耦合关系——如果束斑太小、热量集中——石墨的抗拉强度在达到设计值之前就可能失效。2025年发表的一项热力学模拟（*NIM B*, 2025）给出了安全操作区间：慢引出铀束——1.59 kW总功率、0.58 kW沉积——安全。快引出铀束——9.5 kW总功率、3.5 kW沉积——束斑必须展宽到σ_x≥2 mm、σ_y≥3.8 mm。

HFRS的真空系统在辐射区的操作压力是2.5×10⁻⁶ Pa。在辐射量高的区域——用了可远程更换的分体密封法兰——人员不进入维护。这些细节不是示弱——它们是HIAF实现91-94%可靠性（FRIB的工业标准）的必由之路。

第二条干线——SRing——也许是中国核物理界目前最亮的一颗星。

简单说：SRing是一台周长为277米的精密磁谱仪——它的核心功能是测短寿命核的质量。一个被HFRS纯化并减速后的离子团注入SRing真空室——它们在四组二极磁铁中绕圈——每一圈的飞行时间被双通道微通道板探测器精确记录。离子越重——飞得越慢——两者之间的关系由磁刚度定义。非破坏性肖特基探针（Schottky probes）持续监听储存在环中的离子——不需要消耗它们——就可以给出平均频率和频率展宽。

2026年4月——SRing完成了它的首次调试实验。近物所用强流铋-209初级束注入SRing——在环内产生了金-202——一种半衰期仅28秒的短寿命核。SRing测量了金-202的质量——精度达到11 keV——这是此前GSI的ESR保持的世界纪录（约22 keV）的两倍。4月8日——SRing质谱仪通过了实验终端建造的验收。4月14日——近物所英文官网发布了这条消息。

SRing在等时模式下运行——一种巧妙的光学设计强迫不同动量（从而在不同轨道半径上运动）的离子在同一圈中完成稍作不同的路径长度——使得它们到达探测器的时间基本相等。等时性通过两组六极和八极磁铁的高阶校正来实现——2025年葛雯文、原有进、杨建成等人在*Chinese Physics C*上发表的优化设计论文详细描述了非线性校正方案。他们设定了三个不同的过渡能量γ_t（1.43、1.67和1.84）来适应不同的核素区：γ_t=1.43用于超丰中子核、γ_t=1.84用于缺中子核。等时模式的目标质量分辨率R(FWHM)≈1×10⁶——足以把同量异位素（质量数相同但Z不同的核，在等时模式下质量差极小）分开。

SRing上的肖特基探针系统——配合一台MCP飞行时间探测器（2025年10月发表的独立测试表明效率94%、时间分辨率29.62±0.80 ps）——使SRing成为世界上最快-精密的组合：它能在离子半衰期仅几十微秒的条件下给出10⁻⁶到10⁻⁷级别的质量精度。这个能力范围此前全球只有GSI的ESR——它现在被两倍精度超越了。

第三条干线——CEE（冷却储存环外靶实验）——是重离子碰撞物理的旗舰谱仪。

CEE的本质是一台建在HIRFL的CSR（兰州冷却储存环）引出束线上的大型固定靶探测器。它于2025年7月完成了首轮无磁铁的测试运行——碳-12和碳-12/金-197碰撞在1.1 GeV/u。超导二极磁铁（0.5 T中心场、1×1.2×0.9米大孔径）尚未安装时——团队用TPC（时间投影室）、三组MWDC（多丝漂移室）和ZDC（零度量热器）测试了径迹重建和粒子鉴别——得到了初步的定向流数据（2026年1月发表在*Nuclear Science and Techniques*）。

超导二极磁铁是CEE的关键部件——它使用的是离散线圈技术（DCT）——一种为紧凑型大孔径磁铁设计的新方案。2026年——超导磁铁将安装——使CEE能完成全谱学重建（径迹动量、粒子种类、反应平面确定）。CEE的物理目标是QCD在重子密度区的相结构——HIRFL-CSR的束流能量（0.3-1.1 GeV/u）恰好处于净重子密度最高、化学势最大的区域——远离RHIC/LHC覆盖的交叉过渡区——是探索重子密度驱动的强一级相变和临界终点的独有窗口。

CEE在HIAF的继任者——"CEE+"——将利用HIAF更高的束流能量（可达2.8 GeV/u）、更高的计数率（脉冲流强×8意味着统计量×数十倍）和大规模统计性来扫描QCD相图。CEE+还将搭载一个新的超子-核子谱仪（H-NS）——专为Λ超子产生、极化和介质效应而设计——同时作为EicC探测器技术的试验台。

现在谈谈HIRFL——HIAF的"前身"——之间的协同。

兰州的重离子研究装置——HIRFL-CSR——运行了三十多年。它有四大加速器串联：扇形回旋加速器SFC、分离扇形回旋加速器SSC、主冷却储存环CSRm、和实验谱仪环CSRe。CSRe上建立的Bρ定义等时质谱术（Bρ-IMS）是近物所在国际核质量测量领域立足的核心技术——2024年在*Physical Review Letters*上发表了质子晕核的首次精确质量测量。

2025年——HIRFL的RIBLL2（第二条放射性束线）正式全面运行（*arXiv:2505.00053*）。用400 MeV/u的氩-40和350 MeV/u的氪-78束流——RIBLL2成功证明了在大质量区域（A>100）的飞行中碎裂核素鉴别能力——这是HFRS在惠州做丰中子超铀区碎裂实验之前最接近的技术验证。

兰州-惠州双基地的协同逻辑是：HIRFL-CSR做难度较低的、束流强度需求小的实验（可以运行更长时间、更灵活）；HIAF做需要极端流强、极高能量、或极短脉冲的旗舰实验。HIRFL-CSR在兰州运行不冲突——两条加速器可以共享同一个科学用户社区、同一套分析软件、以及（尤其重要）同一批探测器研发成果。CEE的硬件——TPC、iTOF MRPC、MWDC——全是新一代探测技术——在HIRFL上验证、之后搬上HIAF。

这个梯度化部署是一个聪明的资源策略：不浪费兰州已成熟的设备——同时不给惠州上未经验证的风险技术。

现在诚实地说裂缝。

HFRS Phase-II的25 Tm超导磁铁——CCT和DCT两种离散线圈构型仍在研发阶段。CCT（倾斜余弦-θ）和DCT（离散线圈技术）的制造精度要求极高——线圈在绕组过程中的位置误差要在几十微米量级——而目前国内工业界的量产精度还在百微米级。Phase-II的时间线——官方文件写的"未来"——实际可能要到2030年以后。

HIAF的停机/维护时间还未经过真实长周期运行检验。FRIB在前两年达到了92-94%可用性——靠的是美国几十年超导直线加速器的运行经验传承。HIAF的团队——大部分来自HIRFL-CSR的运行经验——但超导直线+快循环同步加速器组合的维护复杂度比HIRFL高一个量级。首年的实际可用性——在"全线贯通"的自豪之后——才是真正的技术考验。

CEE的超导磁铁延迟——原定2024-2025年安装——实际在2025年7月只完成了无磁铁测试。DCT技术的工程化——从缩尺模型到全尺寸——遇到的制造挑战比设计预想的大。

HIAF暂无可用的彭宁阱质谱终端——SRing是储存环质谱（Bρ-IMS），精度约10⁻⁶至10⁻⁷。彭宁阱能做到10⁻⁹至10⁻¹¹。对于r过程的关键等待点核——质量不确定度在亚keV级别是关键——SRing达不到这个精度。HIAF-II或SHIPTRAP-CSR（彭宁阱计划）如果建成——将补上HIAF最需要的一个精度缺口。目前——近物所还没有正式发布彭宁阱在HIAF上的详细建造进度。

综合来看——HIAF是中国核物理基础设施从"跟跑"到"领跑"的里程碑。它的三台核心仪器——HFRS（碎片分离器）、SRing（谱仪环）、CEE/CEE+（外靶实验谱仪）——各自覆盖一个独特的物理前沿：HFRS产滴线核、SRing精确称它们、CEE在重子密度极端区涨落QCD相图。从2025年10月的首次全线贯通、到2026年4月SRing的11 keV世界纪录——再到2026年全年试运行的计划——HIAF正在从一个土木奇迹蜕变成一台物理发现工厂。

杨建成在2026年3月那篇采访中说了句话："从并跑，到领跑。"它不是一个公关标语——它是用铋-209脉冲流强八倍世界纪录、SRing两倍质量精度、和一台近200米长的全新碎片分离器共同兑现的实物承诺。

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参考文献

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  1. 杨建成（全国政协委员/近物所副所长），"大国重器HIAF两项指标全球领先，" *科技日报*，2026年3月7日。 — 氧离子流强2.5倍/铋离子8倍国际最高；2026年全面试运行。
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