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至真探索 · 核反应

碎裂反应与稀有束流

2026-08-25

2024年6月，美国密歇根州立大学的FRIB装置把铀-238束流的功率推到10.4千瓦，连续打在靶上。铀是最难加速的元素，这是当时世界上功率最高的连续铀束。更妙的是开机头24小时里，他们顺手逮到了三个人类从没见过的原子核：镓-88、砷-93、硒-96。一台加速器刚上量，新核素就跟下雨一样掉出来。

这背后是一门手艺：碎裂反应。它和散裂听着只差一个字，物理上是两回事。把这两个词掰清楚，就能看懂全世界稀有束流装置的格局，也能看懂最近三年新核素为什么井喷。

先说碎裂。想象一颗高速飞行的重原子核——铀或者铂，以每核子一两亿电子伏的能量掠过一片铍靶或碳靶。靶子很薄，一毫米上下，多数核子根本碰不到。擦上的那部分呢？碰撞瞬间，两个核重叠区域的核子被直接削走，这叫磨蚀。剩下的碎片像被剜了一块的苹果，带着激发能继续前飞，一路蒸发质子、中子、α粒子，直到冷静下来，这叫消融。平均每削掉一个核子，碎片里就沉积约27 MeV的激发能，削十个就是270 MeV，够蒸发一大把粒子。整个过程不到一纳秒，碎片以接近原束流的速度冲出靶子。弹是重的、靶是轻的，物理学家管这叫逆运动学：碎片天然就是一束高速放射性核，直接飞进下游磁铁里挑拣。

碎裂产物的行为，1974年Goldhaber一个公式管到今天：碎片动量分布的宽度，来自核子原本在核内的费米运动。削掉的核子带走的动量随机，留下的碎片动量就模糊，削掉一半时模糊最大。预言产额靠三件工具：EPAX半经验公式（Sümmerer和Blank，2000年）、ABRABLA磨蚀-消融模型（Gaimard和Schmidt，1991年）、还有做实验的人天天用的LISE++程序（Tarasov和Bazin，2008年首发）。记住LISE++这个名字，后面还有它的事。

散裂正好倒过来。1947年Serber画出这幅图像：一颗粒子，通常是质子，以几亿到几十亿电子伏的能量砸进重原子核。入射质子波长很短，能"看清"核里的单个核子，撞了这个撞那个，像台球钻进球堆，10⁻²²秒内打出若干核子和介子。剩下的核激发得厉害，慢慢蒸发粒子或者裂变。弹是轻的，靶是重的，而且ISOL装置用的靶是厚靶——20厘米的碳化铀，质子束在里头层层削靶核的皮。一句话：碎裂是重弹擦轻靶，散裂是轻弹砸重靶，方向、靶厚、时间尺度全反着来。

这个差别决定了两种放射性束流装置的性格。飞行中分离装置走碎裂加飞行裂变路线：FRIB、日本理研的RIBF、德国GSI/FAIR、中国惠州的HIAF。碎片出靶就是束流，快到纳秒级，不挑化学性质，半衰期短到微秒的核都来得及鉴定；代价是碎片动量散、角度散，纯度只能靠磁铁加探测器逐事例筛。在线同位素分离（ISOL）装置走散裂路线：CERN的ISOLDE、加拿大TRIUMF的ISAC。厚靶被轰完烤到约两千度，产物慢慢渗出、电离，磁铁按质量挑。束流品质好、纯度高、可后加速到恰好做实验的能量；代价是受化学和释放时间限制，难挥发、寿命太短的核做不出来。ISOL的根在1951年的哥本哈根，Kofoed-Hansen和Nielsen第一次把靶直接接到同位素分离器上；1967年ISOLDE在CERN开张，用600 MeV质子打靶，五十九年下来生产过70多种元素的1300多种同位素，是全世界ISOL装置的原型。

格局铺完，看碎裂这一边最近三年的战绩。

2024年2月15日，Physical Review Letters刊出Tarasov等人的论文：¹⁹⁸Pt束以186 MeV/u打碳靶，初级束功率才1.5千瓦，一口气发现五个新核素——铥-182、铥-183、镱-186、镱-187、镥-190。这是FRIB运行不到一年出的首批新同位素。Oleg Tarasov是FRIB/密歇根州立大学的研究员、通讯作者；合作者21人，横跨美国的FRIB团队（Alexandra Gade、MSU化学系的Morrissey等）、韩国基础科学研究所超常核研究中心（D.S. Ahn）和日本理化学研究所仁科中心（T. Kubo，BigRIPS分离器缔造者之一）。鉴定是教科书四件套：能量损失、飞行时间、磁刚度、总动能，逐事例定出每个核的电荷、质量、电荷态。两级分离器ARIS是关键——先把百万倍于目标核的"邻居"粗筛掉，再精挑，灵敏度做到十亿亿分之一。选¹⁹⁸Pt也不是随便挑的：它是稳定核里中子最富的一批，碎裂产物大体继承这份中子过剩，正好往稀土区送。而这五个中子富稀土核，恰是宇宙r过程——中子星并合里合成金、铂、稀土元素的那台机器——路过的地方。发现它们等于宣告：FRIB往r过程路径推进没有路障。顺带一提，实验前算产额的LISE++正是Tarasov自己写的，2023年刚升级成LISE cute++；他们2023年还在NSCL用¹⁹⁸Pt做过一轮预研（Haak、Tarasov、Chowdhury，PRC 108, 034608）。

然后是铀束那一仗，细节发表在2024年6月的Phys. Rev. Accelerators and Beams。超导直线加速器，324个谐振腔装在46个低温模块里；新研制的液态锂电荷剥离器，一层流动锂膜把铀离子的电子剥掉；再让剥离后三个电荷态的铀离子同时在加速器里跑——这一手是破纪录的关键。一作Peter Ostroumov是FRIB加速器负责人，魏杰（Jie Wei）和Brad Sherrill挂帅，阿贡国家实验室、韩国IBS、日本理研参战。束流打进1.2毫米石墨靶，裂变和碎裂一起开工：飞行裂变把铀核劈成两半，成堆冒出中子富的中等质量核；深碎裂再削再蒸发，产物越走越贫中子。所以铀束一开，滴线两侧都有新核可捡——头24小时现形的镓-88、砷-93、硒-96，全是中子富得离谱的核。美国国家学院和核科学顾问委员会列的17个最高优先稀有束课题里，过半需要铀初级束，原因就在这。2025年3月13日，FRIB把铀束推到20千瓦，翻倍；设计终点是400千瓦，还有20倍空间。2025年Tarasov团队又用⁸²Se束（228 MeV/u）碎裂，往中子滴线刨：⁶³Sc、⁶⁵,⁶⁶Ti、⁶⁸V等新核素落网，还抓到一例与⁶¹Ca相符的事件——不少理论预言这个核可能根本不存在（PRC 112, 034604）。同一篇论文把截面与基于HFB-22质量表的磨蚀-消融计算对表，给碎裂产额理论添了硬数据。

日本这边，RIKEN的RIBF是过去十五年新核素的头号产地：用飞行分离法贡献了200多个新核素，占2020年代全球新同位素发现的52%。底盘是BigRIPS——大接收度、两级结构的超导碎裂分离器。2010年Ohnishi等用345 MeV/u铀束的飞行裂变一口气认了45个新中子富核（JPSJ 79, 073201），⁷⁹Ni、¹²⁸Pd、¹³⁸Sn都在其中。之后这条产线稳定出货，2025年起打出一波三连发，打法出人意料。理研仁科中心的H. Suzuki领衔的团队（合作者有东京大学CNS的Michimasa、高知工科大学的Momota等）用铀束碎裂去挖贫中子区——这本来不是碎裂的强项，传统产贫中子核用⁸⁶Kr之类轻弹。结果Z=60附近13个新核（¹¹⁸,¹¹⁹La、¹¹⁹,¹²⁰Ce、¹²²,¹²³Pr、¹²³,¹²⁴,¹²⁶Nd、¹²⁵,¹²⁶,¹²⁷Pm、¹²⁸Sm，PTEP 2025, 113D01），Z=63–70再添14个（¹³²,¹³³Eu直到¹⁴⁷,¹⁴⁸Yb，PTEP 2026, 023D02）。二十七个新核说明重弹核碎裂扫质子滴线一样好使，而飞行碎片动能高，还顺手适合做二次反应。有意思的是截面比EPAX2.15、EPAX3.1a、FRACS1.1半经验公式预言的都低——理论还得追。

同一批人马换工具继续挖中子富区。2026年1月，Sumikama等（理研牵头，作者名单里挂着MSU的Tarasov和GSI的Geissel）在JPSJ 95, 024202报了7个新稀土核：¹⁵²Cs、¹⁵⁵Ba、¹⁵⁸La、¹⁵⁹,¹⁶⁰Ce、¹⁷³Gd、¹⁷⁵Tb——铀束飞行裂变产物，落点已贴到r过程路径边上，稀土区那些高形变核抗不抗三轴形变，马上就能量到。3月Shimizu等用同样打法在N=50壳附近再收8个（⁷²Cr、⁷⁴,⁷⁵Mn、⁷⁷Fe、⁷⁹,⁸⁰Co、⁸⁵Cu、⁹⁰Ga，PTEP 2026）；6月Fukuda等换铅-208当初级束，一网22个新核，贫中子（¹¹⁸Ce、¹²⁰Pr、¹⁵²,¹⁵³Hf、¹⁵⁴Ta）和中子富（¹⁷⁹Ho到²⁰¹Re）两头都有（PTEP 2026）。再往前，2025年4月Suzuki等还用氙-124碎裂拿下⁹⁸Sn——N=48，离双满壳的¹⁰⁰Sn一步之遥。RIBF还在升级束流强度，这台机器的产能没见顶。

再看散裂那一边的故事，主角是锕-225。

²²⁵Ac是靶向α疗法的明星核素：半衰期9.92天，衰变链上连出四个α粒子，能量5到8.4 MeV，射程短。用抗体把它送到癌细胞门口，等于在肿瘤里埋一串微缩炸弹。问题只有一个——产量。它自然界不存量，全球供应主要靠橡树岭国家实验室从冷战铀-233废料里攒的钍-229"母牛"周周挤奶，1997年第一批货发给美国国家癌症研究所，如今年产量一居里量级，全球一年加起来不到十分之一毫克，临床试验都喂不饱。美国能源部的Tri-Lab方案——洛斯阿拉莫斯、布鲁克海文用高能质子散裂轰钍-232靶，橡树岭提纯——12天能造出相当于年供应量60%的货，但散裂路线有个死结：顺带造出的²²⁷Ac半衰期21.8年，化学上和²²⁵Ac是同一种元素，分不开，出厂时占比0.1–0.2%，监管和废物管理都头疼。

CERN的ISOLDE团队给出一个分子层面的解法，2025年发表在J. Radioanal. Nucl. Chem. 334, 367。一作兼通讯Mia Au（CERN，同时挂美因茨古腾堡大学），压阵的Sebastian Rothe（CERN），18位作者横跨CERN、比利时鲁汶大学、达姆施塔特工大、GSI、美因茨大学、格赖夫斯瓦尔德大学、曼彻斯特大学。做法：PS Booster的1.4 GeV质子打碳化铀或碳化钍厚靶，散裂裂变产锕；但不去直接分锕离子——让锕原子在电离区跟两个氟-19结合成AcF₂⁺分子离子。这一步是点睛之笔：分子离子质量数抬到263，比靶里的铀-238还重，散裂碎片全落在它下面，磁分离器一刀干净，连质谱验证都用上了ISOLTRAP的多反射飞行时间谱仪。产额3.9×10⁷到4.3×10⁷个每微库仑质子，折合每微安小时108 kBq；²²⁷Ac对²²⁵Ac的活性比被压到5.5×10⁻⁷以下——比加速器散裂路线干净三四个数量级。配套的释放研究（鲁汶和CERN的Jajčišinová等，Sci. Rep. 14, 11033, 2024）把锕在碳化铀靶里的提取效率摸到2.1%。散裂加分子侧带，这条路线的巧劲在于不跟污染硬碰，直接换赛道。

中国两条线都在追。

惠州的HIAF（中科院近物所建设，2018年12月开工）走飞行分离路线：2025年10月27日启动全面调试，次日束流全线贯通；2026年7月21日通过工艺验收，进入试运行。它的放射性次级束流分离器HFRS按世界磁刚度最高的全超导次级束流分离器打造，还配了SRing高精度环形谱仪测质量。2025年12月的性能测试里，增强器把铋-209离子加速到0.85 GeV/u，脉冲流强3.166×10¹⁰个粒子，比GSI保持十多年的纪录高近一个量级。重离子脉冲流强是次级束产量的命根子，这个数字说明HIAF上场时握着一副好牌。

兰州走第三条路：熔合蒸发。近物所甘再国团队用中国超重元素研究加速器装置CAFE2的钙-40束打镥-175靶，在充气反冲核谱仪SHANS2上合成镤-210——已知最缺中子的镤同位素，截面约7皮巴，硬生生攒下23个事件（张明明一作，联合国科大、山东大学、中山大学等多家单位，Nature Communications，2025年5月29日）。同一产线2024年出钚-227，2026年3月又出²³⁵Bk和²³¹Am（Physics Letters B）。熔合蒸发产额低但能精确挑中子数，超重和极端缺中子区还得靠它——三种机制各管一段，谁也替代不了谁。

大图景收尾。理论预言约7000种核素存在，实验见过的约3300种，版图填了不到一半；新核素的登记造册，靠密歇根州立大学Thoennessen从2007年起建的发现核素数据库，如今由FRIB维护。GSI那边，FAIR的Super-FRS——下一代超导碎裂分离器——2025年4月首台超导磁铁入隧道，计划2027年底完成调试、2028年开NUSTAR早期科学，SIS100同步加速器将以1.4 GeV/u的铀束、每秒2.5×10¹⁰个离子喂它。FRIB朝400千瓦爬坡，高磁刚度谱仪HRS已获批开建。碎裂填核素地图的空白，散裂种医用同位素的庄稼，ISOL和in-flight还在互相偷师：气体阻挡器把快碎片停下送给精密测量，分子侧带把ISOL的纯度送到散裂碎片够不着的地方。工具箱越攒越全，剩下的事，就是往核素图那三千多个空格子里填数。

参考文献：

  1. P.N. Ostroumov, O.B. Tarasov, et al.（FRIB/MSU，合作：Argonne、韩国IBS、日本理研）, "Acceleration of uranium beam to record power of 10.4 kW and observation of new isotopes at Facility for Rare Isotope Beams," Phys. Rev. Accelerators and Beams 27, 060101 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.27.060101
  2. O.B. Tarasov, A. Gade, K. Fukushima, et al.（FRIB/MSU；D.S. Ahn（韩国IBS超常核研究中心）；T. Kubo（理研仁科中心）等21人）, "Observation of New Isotopes in the Fragmentation of ¹⁹⁸Pt at FRIB," Phys. Rev. Lett. 132, 072501 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.072501
  3. O.B. Tarasov, B.M. Sherrill, A.C. Dombos, et al.（FRIB/MSU）, "Discovery of new isotopes in the fragmentation of ⁸²Se and insights into their production," Phys. Rev. C 112, 034604 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevC.112.034604
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  5. H. Suzuki, N. Fukuda, H. Takeda, et al., "Discovery of Proton-Rich Radioactive Isotopes in the Z = 63–70 Region Produced by the Projectile Fragmentation of a 345-MeV/Nucleon ²³⁸U Beam," Prog. Theor. Exp. Phys. 2026, 023D02 (2026). DOI: 10.1093/ptep/ptaf190
  6. T. Sumikama, N. Fukuda, T. Kubo, et al.（理研；O.B. Tarasov（MSU）；H. Geissel（GSI）等30人）, "Expanding the Isotopic Frontier: Seven New Neutron-Rich Rare-Earth Isotopes Observed at RIKEN RI Beam Factory," J. Phys. Soc. Jpn. 95, 024202 (2026). DOI: 10.7566/JPSJ.95.024202
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  8. M. Au, L. Nies, S. Stegemann, et al.（CERN；鲁汶大学；达姆施塔特工大；GSI；美因茨大学等）, "Production and purification of molecular ²²⁵Ac at CERN-ISOLDE," J. Radioanal. Nucl. Chem. 334, 367–379 (2025). DOI: 10.1007/s10967-024-09811-0
  9. E. Jajčišinová, K. Dockx, M. Au, et al.（鲁汶大学/CERN）, "Production study of Fr, Ra and Ac radioactive ion beams at ISOLDE, CERN," Sci. Rep. 14, 11033 (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-60331-z
  10. A.S. Goldhaber, "Statistical models for the formation of fragments," Phys. Lett. B 53, 306 (1974).
  11. J.-J. Gaimard and K.-H. Schmidt, "A re-examination of the abrasion-ablation model for the description of the nuclear fragmentation reaction," Nucl. Phys. A 531, 709 (1991).
  12. K. Sümmerer and B. Blank, "Modified empirical parametrization of fragmentation cross sections," Phys. Rev. C 61, 034607 (2000).
  13. O.B. Tarasov and D. Bazin, "LISE++: Radioactive beam production with in-flight separators," Nucl. Instrum. Methods B 266, 4657 (2008)；及 LISE cute++ 升级版，Nucl. Instrum. Methods B 541 (2023).
  14. M.M. Zhang, J.G. Wang, L. Ma, et al.（甘再国团队，中科院近代物理研究所）, "Discovery of the α-emitting isotope ²¹⁰Pa," Nat. Commun. (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-60047-2
  15. R. Serber, "Nuclear spallation," Phys. Rev. 72, 1114 (1947).
  16. 装置进展与数据来源：FRIB News（frib.msu.edu，20 kW铀束 2025-03、ARIS/⁸²Se 2025）；FRIB Discovery of Nuclides Project 新同位素列表（含Shimizu、Fukuda、Shimizu等2026年PTEP论文条目）；中科院近代物理研究所HIAF调试与工艺验收新闻（2025-2026）；FAIR Commissioning—Towards First Science, arXiv:2510.14948 (2025)；ORNL Ac-225与Tri-Lab项目公开资料。