丝绸之路上的神秘黑科技 | 走进实验室

作者: 黄旭祎

来源: 科学大院

发布日期: 2018-05-19

本文介绍了兰州重离子加速器国家实验室,该实验室位于中国西北,拥有亚洲能量最高、精度最高的中高能重离子加速器,致力于合成新核素、精确测量原子核质量、培育更优农作物新品系等研究。文章详细描述了实验室的设备、研究内容及其在基础和应用研究中的重要成果,以及未来在合成新元素方面的挑战和计划。

从今天起,大院正式开启新专栏“走进实验室”,旨在生动有趣地为大家介绍各大研究所的特色实验室。通过本专栏,你将了解到:科研人员的实验室长什么样?他们每天都在做些什么研究?

这些研究跟我们有什么关系……本期“走进实验室”的主角是兰州重离子加速器国家实验室,它位于祖国西北,但名气却不小——它有亚洲能量最高、精度最高、国内唯一的中高能重离子加速器,为合成新核素、精确测量原子核质量、培育品质更优的农作物新品系等研究创造了良好的条件。

西北的甘肃,丝绸之路上的河西走廊,一条600英里长的通道,将中国腹地和坐落在塔克拉玛干沙漠边缘的绿洲敦煌郡连接在一起,独特的地形和丰富的地貌造就了这个区域的神秘特性。除了敦煌的壁画、祁连山的雪水,甘肃还拥有一个唯一坐落在西北的国家实验室,说到它,也很神秘。

兰州重离子加速器(HIRFL),亦称兰州重离子研究装置,由中国科学院近代物理研究所历经三代大科学工程建设而成,是目前亚洲能量最高、精度最高,国内唯一的中高能重离子加速器。

兰州重离子加速器属于大科学装置,由ECR离子源、扇聚焦回旋加速器(SFC)、分离扇回旋加速器(SSC)和冷却储存环(CSR)组成的一个长达约800米的加速器系统,光磁铁(系统)就重约6000吨,就像一条巨龙盘踞在半地下的隧道中,这条“巨龙”不简单,它具备加速全离子的能力,可提供多种类、宽能量范围、高品质的稳定核束和放射性束,用以开展重离子物理及其交叉学科研究。

兰州重离子加速器能干什么?

加速器加速束流,束流是强大的工具,是金刚钻。可以合成新核素、精确测量原子核质量、培育品质更优的农作物新品系(种)、开展重离子肿瘤治疗技术研究,既能做基础研究,也能做应用研究。

面向国家战略需求,我们承担(或参与)并圆满完成了以 ADS 先导专项,空间科学先导专项-暗物质卫星为代表的一批重大科技任务; 面向国际科技前沿,产出了以新核素合成、原子质量精确测量为代表的一批重要基础研究成果;面向国民经济需求,打造了以重离子治癌、重离子育种、核孔膜为代表的一批应用研究成果。

说它“冷”,是因为一说起这项工作,朋友们基本都是一脸懵圈,社会关注度不高也是实情,但是,不代表它不重要,不代表它不重要,不代表它不重要;说它“热”,是因为从事这项研究工作的科研人员,无论国内国外,相互交流的状态都是永远年轻,永远热泪盈眶,错了错了,是永远热血沸腾,永远两眼放光。这项神奇的工作就在奇妙的原子核世界中——合成新核素。

物质构成的规律是什么?原子核存在极限在哪里?物质的质量的来源是什么?宇宙中超铁元素(比铁元素重的元素)到底是怎么产生的?宇宙中的四种基本力(引力、电磁力、强力、弱力)可以统一起来吗?这些神秘又伟大的科学问题的答案都隐藏在神秘的原子核里面,通过新核素合成研究,就能探索原子核结构的秘密,也许就能找到解开某个宇宙之谜的小钥匙。

新核素合成依据新核素合成不同的反应机制,合成新核素主要通过轻带电粒子引起的反应、熔合蒸发反应、炮弹碎裂反应、大质量转移反应、加速器产生的中子反应等几种方法来实现。

基于兰州重离子加速器国家实验室平台,中国科学院近代物理研究所团队创新性地将"质子-伽马"符合方法用于鉴别新核素,比国际通用方法灵敏度提高了约50倍,合成了11种稀土新核素,观测了22种原子核的β缓发质子衰变,建立了15种原子核的EC/β+衰变纲图,测量了一批原子核的寿命,发现了极丰质子稀土原子核普遍具有大形变。

相比合成新核素,合成新元素更加具有挑战。客观物质世界中到底能够存在多少种元素?

元素周期表有没有界限?未知的化学元素可能会存在哪些奇特的性质?目前,人工合成的新元素已经达到第118号,填满了周期表中第七周期的所有元素。随着原子序数的不断增加,弹核和靶核之间发生熔合的概率会呈指数式的衰减,人工合成超重新元素的实验也变得异常困难,即便如此,国际上各大实验室对更重新元素的合成研究越来越重视,竞争也越来越激烈。

接下来,中科院近代物理所团队将依托国家“十二五”重大科技基础设施——“强流重离子加速器装置-HIAF”(由中科院近代物理所承担建设中)这又一国之重器提供的国际上最强的低能重离子束流,挑战合成更重的新核素甚至新元素,解决新的原子核壳效应的演化、新幻数的出现以及核天体环境中重元素的产生等尚未解决的重要科学问题。

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