12月7日至9日，国际首台低能量强流高电荷态重离子研究装置在中国科学院近代物理研究所（以下简称“近代物理所”）成功通过国家自然科学基金委员会组织的专家验收。该装置由45吉赫兹超导高电荷态电子回旋共振（ECR）离子源、高压平台、强流多电荷态束流分析和制备系统等多个子系统组成，旨在为核天体物理、原子物理等前沿基础研究以及核能材料研发提供先进的实验条件。

该项目总负责人、中国科学院院士赵红卫介绍：“当前国际上虽有多个重离子装置在建或已建成，但在多学科交叉前沿基础研究领域和国家需求的重要应用领域仍缺乏多功能、小型化的低能量强流重离子加速器装置。我们自主研发成功世界首台独立运行的低能量强流高电荷态重离子加速器装置，可为核天体物理、原子物理等前沿基础研究和核能材料研发等重要应用提供先进的实验条件。”

低能量强流高电荷态重离子研究装置。叶满山摄。

原理揭秘：低能量强流高电荷态重离子加速器

重离子加速器，这一探索物质世界微观奥秘的利器，通过加速比阿尔法粒子更重的离子，为科学家打开了通往未知世界的大门。电子回旋共振离子源核心原理在于利用微波加热等离子体，通过磁场约束等离子体中的电子，使电子在磁场中旋转并加速，进而通过碰撞剥离原子外层电子，形成高电荷态的重离子。这一过程要求强大的磁场和微波技术，以及精密的束流控制和分析系统，以确保产生的重离子束具有高强度、高电荷态和宽能量变化范围。

该低能量强流高电荷态重离子研究装置由45吉赫兹超导高电荷态电子回旋共振（ECR）离子源、高压平台、强流多电荷态束流分析和制备系统、连续波新型射频四极场（RFQ）重离子加速器、中能束流传输线、束流诊断系统和辅助配套等子系统组成。该装置可提供从轻到重多种电荷态的强流重离子束和混合离子束，具有强度高、电荷态高、离子种类多、能量变化范围宽等诸多优势。

该装置超导离子源研制负责人、中国科学院近代物理研究所加速器技术中心副主任孙良亭介绍：“强流高电荷态重离子束的产生是满足新一代强流重离子加速器的关键。我们研制的第四代高电荷态电子回旋共振离子源可产生相当于国际上其他实验室同类装置最高性能2倍以上的束流强度，为解决下一代强流高功率重离子加速器关键束流物理与技术问题奠定了坚实的基础。”

中国科学院院士赵红卫正在研究装置工作。叶满山摄。

十年磨一剑：核心设备实现国产化

自2015年项目立项以来，该装置研发团队便瞄准了国际最高水平，全力攻坚强流高电荷态重离子束产生和低能量加速的技术难题。经过十年的艰苦研发，团队成功研制出世界上磁场和微波频率最高的超导高电荷态电子回旋共振离子源，以及束流强度最高的连续波射频四极场重离子加速器。

这两项核心技术的突破，不仅创造了国际上电子回旋共振离子源的最高流强纪录，更为我国未来在重离子加速器技术领域的发展奠定了坚实基础。赵红卫院士回顾了研发历程：“自项目立项以来，近代物理所装置研发团队历时约10年时间瞄准国际最高水平全力攻坚，抢占强流高电荷态重离子束产生和低能量加速的国际制高点。我们自主研发解决了一系列技术瓶颈问题，该装置运行稳定，其核心设备总体性能处于世界领先水平。”

在研发过程中，团队成功研制出世界上磁场和微波频率最高的超导高电荷态电子回旋共振离子源，以及束流强度最高的连续波射频四极场重离子加速器。这些核心设备的国产化，不仅降低了装置的成本和依赖性，更为我国未来在重离子加速器技术领域的发展奠定了坚实基础。

孙良亭表示：“在研发过程中，团队面临了诸多技术挑战，其中最为关键的是超导磁体的研制。超导磁体需要在极低温度下运行，且结构复杂，对材料和技术要求极高。经过六年多的艰苦攻关，团队终于成功研制出接近12特斯拉的超导磁体，为装置的稳定运行提供了有力保障。”他还提到，团队攻克了离子源微波耦合、束流传输与聚焦等一系列技术难题，确保了装置的整体性能达到国际领先水平。

值得一提的是，该装置的核心设备均实现了国产化。这一成就不仅降低了装置的成本和对外依赖性，更为我国高端科研仪器的自主化发展树立了典范。赵红卫表示：“我们自主研发解决了一系列技术瓶颈问题，该装置运行稳定，其核心设备总体性能处于世界领先水平。这标志着我国在重离子加速器技术领域迈出了坚实的一步。”

低能量强流高电荷态重离子研究装置。叶满山摄。

应用前景：核电抗辐照材料和芯片制造离子注入机的新助力

该装置的成功研制，不仅标志着我国在重离子加速器技术领域取得了重大突破，利用该装置提供的重离子束还可在世界上率先开展低能量高电荷态离子碰撞实验研究，在低能区对恒星平稳核燃烧过程的一些关键核反应截面进行直接测量，从而有望解决一些国际上多年来悬而未决的核天体物理重要科学问题。

此外，随着全球对清洁能源需求的不断增长，核电作为一种低碳、高效的能源形式，其安全性和经济性备受关注。该装置提供的强流重离子束可用于新一代核电反应堆抗辐照材料研究，有助于核电产业的可持续发展。

据悉，在核电领域，该装置提供的重离子束可用于模拟核反应堆中的中子辐照损伤，为研发抗辐照性能优异的新型核能材料提供实验平台。赵红卫指出：“围绕国家新一代核能发展的迫切需求，利用该装置提供的强流重离子束还可开展核能材料辐照损伤模拟和快速评价筛选等研究，研发抗辐照性能优异的新型材料，为我国核电事业的发展提供有力支撑。”

同时，该装置所涉及到的核心技术可应用于高能量离子注入机，为半导体离子掺杂等工艺提供新的解决方案。

目前，随着芯片集成度的不断提高，对离子注入与掺杂工艺的要求也越来越高。该装置所能够产生的高流强、高电荷态重离子束，为实现更精确、更高效的高能量离子注入提供了可能。孙良亭副主任表示：“高电荷态重离子束技术不仅在基础研究领域有重要应用，其在民用领域，如芯片制造中的离子注入技术，同样具有巨大潜力。我们期待这一技术能够为我国的半导体产业发展贡献力量。”