学科前沿讲座｜中科院近物所杨建成研究员主讲“核科学概览与前沿”第11讲

      杨建成研究员首先从原理出发，告诉大家什么是重离子加速器，通过可研究的尺度和领域、重大科学问题、前沿研究目标及其衍生发展的技术说明重离子加速器对于基础物理研究、国家重大战略需求、国计民生和生命健康方面的重要性。

      自1990年以来，一半左右的诺贝尔物理学奖的成果来自大科学装置。目前国际上各科技强国均重点部署重离子大科学装置，在能区MeV/u～TeV/u运行与在建的大型离子加速器约有30台。以原子核层次的前沿科学问题为例，由于现有加速器流强限制，大量理论预言的核素无法在现有加速器实验上产生，一系列的原子核存在极限、宇宙中比铁重的元素的产生、爆发性天体过程的能量来源等前沿科学问题无法解释。目前国际上各科技强国正在或计划建造下一代强流离子加速器，如我国的HIAF、德国的FAIR、美国的FRIB、法国的SPIRAL2、韩国的RAON等，流强、功率、精度最高者将占领制高点。杨建成研究员指出，我国在惠州正在建造的强流重离子加速器HIAF能提供国际上最高流强的重离子束流和精度最高的核质量环形谱仪，将使我国重离子核科学研究从过去的“紧跟”和“并行”，最终实现“引领”，形成在国际上具有重大影响的重离子科学研究中心。

      高亮度、可调质心系能量的高极化率的电子离子对撞机可以使一个国家在世界上保持核物理、加速器科学以及对撞机技术上的领导地位，并有助于保持更广泛领域的科学领先地位。美国已决定在纽约州阿普顿的布鲁克海文国家实验室建造一台电子离子对撞机EIC，这一大科学装置的设计和建造将用时十年，花费数十亿美元。我国也将建造自己的电子离子对撞机EicC，与HIAF构成强流、高功率、高亮度离子加速器集群。杨建成研究员说：“EicC的建成及运行必将引领国际中高能核物理前沿研究。”2021年，中国极化电子离子对撞机EicC白皮书英文版正式发表，凝练了EicC重要物理目标、加速器设计指标和探测器概念设计等，对项目未来推动起到重要支撑作用。

      应用方面，杨建成研究员介绍了医用重离子加速器和航天空间辐照加速器。重离子是癌症肿瘤治疗最锋利的手术刀，通过精确地调整Bragg峰展宽，将其罩住整个肿瘤靶区，可以使周围正常组织只受到很小剂量的照射。通过改变入射离子的初始能量来调节Bragg峰位的深度，可以精确进行人体不同部位的肿瘤治疗。近代物理研究所的科研团队成功研发出了完全具有自我产权的我国首台“回旋注入+创新设计的同步主加速器”组合医用重离子治癌装置，于2020年3月26日投入临床，截至2021年7月3日，共有1万余名肿瘤患者预约治疗，筛选收治500名患者，疗效明显，耐受性良好。这打造了我国大科学工程造福人类健康的典范。空间辐射会严重威胁航天器安全运行和宇航员的健康与安全，天基实验虽然真实，但价格高昂、周期长且难控，地基实验周期短且可控，只需要模拟空间环境。离子加速器是空间环境地面模拟不可替代的装置。杨建成研究员介绍道：“HIRFL中高能辐照终端、空间地面模拟专用装置SESRI、质子位移研究装置PREF和强流重离子装置HIAF可为我国航天空间研究提供全离子种类和全LET离子射线，将为我国载人航天工程，月球、火星和小行星深空探测，空间站建设等重大航天工程提供世界领先水平的科研和测试平台。”

     最后，杨建成研究员介绍了强流离子加速器学科前沿，说明带领团队在全储能高精度大功率快脉冲电源、极高真空超薄壁真空室方案以及大尺寸高梯度磁合金环取得的一系列突破，但是强调新一代强流离子加速器的核心竞争力：高流强、高能量和高精度，仍面临一系列的难题和技术挑战。