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12月7日至9日，國家自然科學(xué)基金委員會組織專家在中國科學(xué)院近代物理研究所對國家重大科研儀器研制項目——“低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置”進(jìn)行了現(xiàn)場驗收。驗收專家組認(rèn)為項目組完成了計劃書規(guī)定的各項任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，一致同意該項目通過結(jié)題驗收。

重離子加速器是指用來加速比阿爾法粒子重的離子的裝置。依托不斷升級換代的離子加速器和不斷發(fā)展的加速器新技術(shù)，離子束物理前沿研究持續(xù)深化著人們對物質(zhì)世界的認(rèn)知，其應(yīng)用技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域。

該項目總負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院院士趙紅衛(wèi)介紹：“當(dāng)前國際上雖有多個重離子裝置在建或已建成，但在多學(xué)科交叉前沿基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和國家需求的重要應(yīng)用領(lǐng)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(fā)成功世界首臺獨立運行的低能量強流高電荷態(tài)重離子加速器裝置，可為核天體物理、原子物理等前沿基礎(chǔ)研究和核能材料研發(fā)等重要應(yīng)用提供先進(jìn)的實驗條件。”

該裝置由45吉赫茲超導(dǎo)高電荷態(tài)電子回旋共振（ECR）離子源、高壓平臺、強流多電荷態(tài)束流分析和制備系統(tǒng)、連續(xù)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(tǒng)和輔助配套等子系統(tǒng)組成。該裝置可提供從輕到重多種電荷態(tài)的強流重離子束和混合離子束，提供的束流具有強度高、電荷態(tài)高、離子種類多、能量變化范圍寬等諸多優(yōu)勢。

自項目立項以來，近代物理所裝置研發(fā)團(tuán)隊歷時約10年時間瞄準(zhǔn)國際最高水平全力攻堅，搶占強流高電荷態(tài)重離子束產(chǎn)生和低能量加速的國際制高點，首次將鈮三錫超導(dǎo)磁體應(yīng)用于電子回旋共振離子源，研制成功國際上磁場和微波頻率最高的超導(dǎo)高電荷態(tài)電子回旋共振離子源，創(chuàng)造了國際上電子回旋共振離子源的最高流強紀(jì)錄。同時，成功研制出目前國際上束流強度最高的連續(xù)波射頻四極場重離子加速器，可實現(xiàn)毫安量級高電荷態(tài)重離子束的加速和穩(wěn)定運行。

該裝置超導(dǎo)離子源研制負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院近代物理研究所加速器技術(shù)中心副主任孫良亭介紹：“強流高電荷態(tài)重離子束的產(chǎn)生是滿足新一代強流重離子加速器的關(guān)鍵，我們研制的第四代高電荷態(tài)電子回旋共振離子源可產(chǎn)生相當(dāng)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(guān)鍵束流物理與技術(shù)問題奠定了堅實的基礎(chǔ)?！?/span>

驗收專家組認(rèn)為，項目組自主研發(fā)解決了一系列技術(shù)瓶頸問題，該裝置運行穩(wěn)定，其核心設(shè)備總體性能處于世界領(lǐng)先水平。該裝置的成功研制對國際上強流重離子加速器低能量前端具有重要的引領(lǐng)和示范作用，對加速器高場鈮三錫超導(dǎo)磁體未來發(fā)展具有重要的推動作用。

該裝置運行后，科學(xué)家們有望在原子物理、核天體物理和核能材料等領(lǐng)域產(chǎn)生一批突破性的研究成果。如可在世界上率先開展低能量高電荷態(tài)離子碰撞實驗研究，在低能區(qū)對恒星平穩(wěn)核燃燒過程的一些關(guān)鍵核反應(yīng)截面進(jìn)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(xué)問題。圍繞國家新一代核能發(fā)展的迫切需求，利用該裝置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(fā)抗輻照性能優(yōu)異的新型材料。

圖1：低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置示意圖

圖2：低能量強流高電荷態(tài)重離子研究裝置

圖3：45吉赫茲超導(dǎo)高電荷態(tài)ECR離子源

技術(shù)突破：

該裝置實現(xiàn)了強流高電荷態(tài)重離子束產(chǎn)生技術(shù)、低能量強流重離子加速器技術(shù)、高場鈮三錫超導(dǎo)磁體技術(shù)、高頻率高功率微波傳輸技術(shù)等多個方面的突破，

研發(fā)取得的代表性成果包括：

（1）研制成功國際上磁場和微波頻率最高的超導(dǎo)高電荷態(tài)ECR離子源，首次將鈮三錫超導(dǎo)磁體應(yīng)用于ECR離子源;

（2）解決了45 GHz高頻率高功率微波有效饋入ECR離子源關(guān)鍵技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)了45 GHz和28 GHz 雙頻微波加熱ECR等離子體，產(chǎn)生的²⁰⁹Bi³⁵⁺離子束流強達(dá)到了350 微安，為國際ECR離子源最高流強紀(jì)錄；

（3）研制成功目前國際上束流強度最高的連續(xù)波重離子RFQ加速器，實現(xiàn)了連續(xù)波1 毫安¹⁶O⁶⁺、大于200微安的²⁰⁹Bi³⁵⁺離子束加速和穩(wěn)定運行，為國際最高水平;

（4）國際上首次實現(xiàn)了荷質(zhì)比相近的三種不同元素離子組成的混合束加速和運行，并通過散束技術(shù)有效降低了重離子束的能散。