In Huizhou, Halbinsel Renping, Provinz Guangdong, ragen mehrere rote Gebäude empor, von denen zwei besonders ins Auge fallen: eines in Form eines abgerundeten Dreiecks, das andere wie eine riesige Stadionlaufbahn. 13 Meter unter der Erde verbirgt sich zudem ein zwei Kilometer langer Tunnel. Hier befindet sich die nationale Großforschungsanlage für Wissenschaft und Technologie – die Hochintensive Schwerionenbeschleuniger-Anlage (HIAF).
Am 21. Juli bestand die HIAF erfolgreich die technische Abnahme. Die Expertenkommission zur Abnahme war sich einig, dass die Gesamtleistung der HIAF das führende Niveau vergleichbarer internationaler Anlagen erreicht hat und einen Sprung in der Entwicklung der chinesischen Hochintensiven Schwerionenbeschleuniger darstellt. Damit sind alle Bauinhalte dieses Projekts abgeschlossen, die Anlage ist offiziell in den Probebetrieb übergegangen und hat ihre Türen für die wissenschaftliche Forschung geöffnet.
„Die HIAF ist die weltweit erste fortschrittliche Schwerionenforschungsanlage, die einen supraleitenden Linearbeschleuniger, ein Synchrotron und einen Speicherring in sich vereint“, erklärt Yang Jiancheng, stellvertretender Direktor des Instituts für moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Chefingenieur der HIAF. Sie liefert den weltweit höchsten Schwerionenstrahl mit gepulster Stromstärke und ist mit einem Kernmassenspektrometer höchster Präzision ausgestattet, wodurch sie eine erstklassige Forschungsplattform für die Grundlagenforschung der Kernwissenschaft und bedeutende Anwendungen von Schwerionen bietet.
Innovatives neues Verfahren zur Verteilung im Sechs-dimensionalen Phasenraum vorgeschlagen
Was genau ist die HIAF? Yang Jiancheng veranschaulicht es mit einem Vergleich: Sie ist sowohl ein „Super-Mikroskop“ als auch eine „Ionenkanone“.
Einfach ausgedrückt, erzeugt ein Schwerionenbeschleuniger mit künstlichen Methoden schnelle Ionenstrahlen, die präzise auf Targetmaterialien geschossen werden und dabei zahlreiche Teilchenfragmente erzeugen. Wissenschaftler analysieren diese Fragmente, um Schicht für Schicht die mikroskopische Struktur im Inneren der Materie zu entschlüsseln.
Bereits in den 1980er Jahren baute China seinen ersten großen Schwerionenbeschleuniger – den Lanzhou Schwerionenbeschleuniger. Warum also eine HIAF bauen? Yang Jiancheng sagt lächelnd: „Mit der ständigen Vertiefung der wissenschaftlichen Forschung in den extrem mikroskopischen Bereich und dem Vorstoß zu extremen Bedingungen ist der Bau eines leistungsstarken Schwerionenbeschleunigers mit hoher Strahlintensität zu einem dringenden Bedürfnis geworden, um die Entwicklung der Kernwissenschaft an vorderster Front voranzutreiben.“
Das Institut für moderne Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften schlug 2009 den Bau der HIAF vor. Im Dezember 2018 wurde mit dem Bau der HIAF in Huizhou offiziell begonnen, und im Oktober 2025 wurde erstmals erfolgreich ein Strahl erzeugt.
Der Ausgangspunkt der gesamten Anlage liegt 13 Meter unter der Erde, wo sich eine supraleitende Ionenquelle befindet. Ihre Aufgabe ist es, einen Teil der Elektronen der Atome zu entfernen, die Atome in geladene Ionen zu verwandeln und ihnen zunächst eine Anfangsenergie zu verleihen.
Der Kernindikator eines Beschleunigers der neuen Generation ist die „hohe Strahlintensität“. Wie man aus der Ionenquelle einen stärkeren Strahl erzeugt, ist derzeit ein internationaler Forschungsschwerpunkt. „Dies ist unsere selbst entwickelte, weltweit erste supraleitende Elektron-Zyklotron-Resonanz (ECR)-Ionenquelle der vierten Generation“, erklärt Shen Guodong, Leiter der Abteilung Gesamtplanung Beschleuniger im Beschleunigertechnik-Zentrum, gegenüber Reportern und zeigt auf eine große weiße Maschine. „Das Team erhöhte die Mikrowellenfrequenz auf 45 Gigahertz und stellte damit einen Rekord für die höchste Strahlintensität einer ECR-Ionenquelle weltweit auf.“
Die Ionenquelle arbeitet im Pulsstrahlmodus und nutzt eine präzise Zeitsteuerung, um den Ionenstrahl unter optimalen Bedingungen momentan zu extrahieren. „Dieser Prozess gleicht der präzisen Steuerung von Gaspedal und Zündzeitpunkt eines Motors, sodass der Ionenstrahl bereits im ‚Moment des Starts‘ seinen optimalen Arbeitszustand erreicht“, sagt Shen Guodong.
Die Innovationen enden hier jedoch nicht. Um eine große Anzahl von Teilchen zu einer extrem hohen Strahlintensität zu akkumulieren, müssen sie zudem geordnet und kollisionsfrei gehalten werden – ein weltweit schwieriges Problem, das seit über 20 Jahren keinen bedeutenden Durchbruch erzielt hat. Die vom Team vorgeschlagene völlig neue Methode der „Verteilung im sechs-dimensionalen Phasenraum + Akkumulation mit unabhängigem Takt“ erweitert nicht nur die bisher auf den zweidimensionalen Raum beschränkte Injektionsmethode auf sechs Dimensionen, sondern durchbricht auch die Beschränkung des Umfangsverhältnisses.
„Das ist vergleichbar damit, zunächst für Milliarden von ‚Ionenprojektilen‘ eine Formation einzustudieren, sie gleichmäßig im Phasenraum zu verteilen und sie dann mit einem unabhängigen Takt präzise zu dirigieren, um sie in Chargen und versetzt in den Hauptbeschleuniger zu injizieren“, erklärt Yang Jiancheng anschaulich. „So wird eine synchrone Störungsfreiheit im Millisekundenbereich erreicht, und letztendlich ein hochintensiver, qualitativ hochwertiger Ionenstrahl akkumuliert, der für Experimente benötigt wird.“
Genau dieser Durchbruch ermöglicht es der HIAF, den Akkumulationsgewinn der Strahlintensität um das Zehnfache gegenüber dem internationalen Spitzenniveau zu steigern und den Strahlverlust um eine Größenordnung zu reduzieren.
Rekord für gepulste Schwerionenstrahlintensität weltweit gebrochen
„Die Kernausrüstung der HIAF wurde vollständig im Inland hergestellt“, sagt Yang Jiancheng stolz. „Wir haben den Schwerionenbeschleuniger mit der weltweit höchsten gepulsten Strahlintensität gebaut!“
Dieses Selbstvertrauen rührt von der Beharrlichkeit des Teams über sechzehn Jahre und seiner Hartnäckigkeit, sich schwierigen Problemen zu stellen.
Um den Schwerionenstrahl ungehindert fließen zu lassen, musste das Team zunächst eine „Autobahn“ bauen – die Vakuumröhre. „Die Schwerionen legen pro Sekunde mehrere hunderttausend Runden zurück. Diese intensive Aktivität verträgt kein einziges Staubkorn, sonst kollidiert der Strahl mit Gasmolekülen und ‚verunglückt‘“, verrät Jiao Jiqiang, Ingenieur der Abteilung Vakuumtechnik im Beschleunigertechnik-Zentrum, seinen besonderen Trick: die weltweit erste extrem dünnwandige Hochvakuumkammer mit Skelett-Innenverkleidung.
Die Außenhaut dieser Vakuumkammer ist hauchdünn, nur 0,3 Millimeter dick, was etwa der Dicke von drei übereinandergelegten A4-Blättern entspricht; im Inneren wird sie von einem 3D-gedruckten Skelett aus Titanlegierung gestützt, das ebenfalls nur 4 Millimeter dick ist. Das Vakuum im Inneren ist höher als auf der Mondoberfläche. Dieses Design ist nicht nur robust und wirbelstromarm, sondern senkt auch die Baukosten erheblich.
Schnell zu sein ist eine Sache, aber auch stabil laufen zu müssen. Im Stromversorgungssystem der HIAF spielt das gepulste Stromversorgungsgerät für den Dipolmagneten des Boosters die Rolle des „präzisen Steuermanns“ für den Strahlbetrieb. Das Team entwickelte das weltweit erste nicht-resonante, vorgesteuerte, vollständig energiespeichernde schnelle zyklische Pulsstromversorgungsgerät und löste damit das Problem der extrem schnellen Stromänderung und der hochpräzisen Steuerung während des Pulsbetriebs.
Dieses Netzteil erreicht die international schnellste Stromanstiegsrate von 38.000 Ampere pro Sekunde bei einem Tracking-Fehler von weniger als 0,2 Ampere. „Das entspricht einem Super-Rennwagen mit einer Geschwindigkeit von etwa 140.000 Kilometern pro Stunde auf der Autobahn von Peking nach Shanghai, der auf der gesamten Strecke nicht mehr als 20 Zentimeter von der Fahrspur abweicht“, sagt Wang Xiaojun, stellvertretender Leiter der Abteilung Stromversorgungstechnik im Beschleunigertechnik-Zentrum.
Damit der Strahl kontinuierlich „läuft“, benötigt er eine unerschöpfliche Energiequelle. Um den Schwerionenstrahl auf hohe Energien zu beschleunigen, ist der „Super-Motor“ des Strahls unerlässlich – das Hochfrequenzsystem. Die Kernkomponente dieses Systems, der „großformatige ölgekühlte Magnetlegierungsring“, war jedoch einst strengen Importverboten und Technologieblockaden aus dem Ausland ausgesetzt.
„Als der Bau der Anlage offiziell begann, war diese Komponente noch nicht entwickelt, und der Druck auf uns war enorm“, erinnert sich Cong Yan, Leiter der Abteilung Hochfrequenztechnik im Beschleunigertechnik-Zentrum. Die Zusammenarbeit mit mehreren inländischen Herstellern kam damals nur langsam voran, und die Muster konnten die Anforderungen nicht erfüllen. Sie experimentierten wiederholt mit den Ausgangsmaterialien und entwickelten schließlich erfolgreich einen im Inland hergestellten Hochleistungs-Magnetlegierungsring, dessen Kernleistungsparameter die international vergleichbarer Produkte um über 60 % übertreffen.
Dank der durchgängigen Eigeninitiative in der gesamten Kette gelang es der HIAF, die 2 Kilometer lange Strahlführung in 16 Stunden vollständig in Betrieb zu nehmen und damit einen neuen Rekord für die Inbetriebnahmegeschwindigkeit von Strahlen bei vergleichbaren internationalen Anlagen aufzustellen. Die typischen Sauerstoffionen- und Wismutionenstrahlintensitäten der HIAF brechen beide internationale Rekorde und übertreffen die bisherigen internationalen Spitzenwerte um das Drei- bzw. Siebeneinhalbfache. Viele Experimente, die früher Monate oder sogar Jahre für die Datenerfassung benötigten, könnten in Zukunft in Tagen oder sogar Stunden abgeschlossen werden.
Chinesen könnten eigene neue Elemente synthetisieren
Die Strahlführung der HIAF ist insgesamt 2 Kilometer lang und umfasst 6.000 große Geräte, über 5 Millionen Komponenten und 1,5 Millionen Meter Prozessleitungen. Für eine so große und komplexe wissenschaftliche Anlage benötigt man international oft zwei bis drei Jahre für die Installation, doch das HIAF-Team baute eine digitale Zwillings-Kooperationsplattform für das gesamte System auf und verkürzte die Bauzeit auf nur 8 Monate. Diese Technologie wurde bereits auf den Bau mehrerer anderer großer wissenschaftlicher Anlagen wie dem Hefei Advanced Light Source und der Advanced Attosecond Laser Facility übertragen.
Als weltweit erste große Beschleunigeranlage mit „supraleitendem Linearbeschleuniger + schnellem zyklischem Synchrotron + kaskadiertem Speicherring“ bietet die einzigartige „Drei-in-Eins“-Konfiguration der HIAF zwei Kernvorteile: Erstens die Abdeckung aller Ionensorten, wodurch sie die Forschungsanforderungen vieler wissenschaftlicher Disziplinen erfüllen kann; zweitens die extrem hohe Strahlintensität, was bedeutet, dass sie reichhaltigere experimentelle Daten liefern und mehr neue Nuklide erzeugen kann, die bisher schwer zu erzeugen waren, und den Forschern hilft, neue physikalische Phänomene zu entdecken.
Yang Jiancheng sagt voller Erwartung: „Mit dieser großen wissenschaftlichen Anlage haben chinesische Wissenschaftler die Chance, eigene neue Elemente zu synthetisieren und die Fünf-Sterne-Rote Fahne auf das Periodensystem der Elemente zu pflanzen.“ Derzeit umfasst das Periodensystem 118 Elemente, und die siebte Periode ist vollständig gefüllt. Die USA, Russland, Deutschland und Japan haben bereits erfolgreich 15 neue Elemente synthetisiert und sie nach ihren Ländern oder Orten benannt. Die Erforschung und Synthese der neuen Elemente 119 und 120 ist eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele der HIAF.
Neben der Erforschung der Existenzgrenzen von Atomkernen wird sich die Anlage nach ihrer Inbetriebnahme auch auf Ziele wie die Aufklärung nuklearer astrophysikalischer Prozesse, die Förderung der Kernenergieentwicklung und multidisziplinäre Anwendungen konzentrieren. So kann die HIAF beispielsweise auch für Strahlungsresistenz-Tests von Raumfahrzeugen genutzt werden, die Entwicklung der Kernenergie und die Erforschung funktionaler Materialien vorantreiben und vor allem eine große Rolle im Bereich der Volksgesundheit spielen, etwa durch die Förderung der Schwerionen-Krebstherapie und die Entwicklung medizinischer Radioisotopen-Medikamente sowie durch Anwendungen in der Pflanzenzüchtung und Lebensmittelkonservierung. Derzeit ist bereits eine neue, auf fortschrittlichen HIAF-Technologien basierende, allgemein erschwingliche Schwerionen-Strahlentherapieanlage im Zentralkrankenhaus der Stadt Huizhou im Einsatz.
Erwähnenswert ist, dass das Team auch für die Zukunft vorgesorgt hat. „Der Tunnel des supraleitenden Linearbeschleunigers ist fast 400 Meter lang, wovon derzeit über 100 Meter installiert sind; die restlichen über 200 Meter sind speziell für spätere Upgrades und Erweiterungen reserviert“, sagt Shen Guodong. Dieses zukunftsorientierte Design ermöglicht es der großen wissenschaftlichen Anlage, sich flexibel an die sich ständig ändernden zukünftigen Forschungsanforderungen anzupassen.
„Vom Nichts zum Vorhandensein, vom Aufholen zum Führen – wir haben den chinesischen Ansatz in die weltweite Technologielandschaft eingraviert und ein ‚Nationales Schwergewicht‘ gebaut, das die Spitzenforschung der Kernwissenschaft und bedeutende Anwendungen anführt“, sagt Yang Jiancheng. An diesem neuen Ausgangspunkt hoffe er, den Nutzern hochleistungsfähige und qualitativ hochwertige Ionenstrahlen bieten und zur Erzielung bedeutender Ergebnisse beitragen zu können.