加速器大科學裝置是研究核物理科學問題的重要工具。 利用加速器裝置提供的不同能量、不同種類、高品質的束流如穩定核束、放射性核束、極化和非極化離子束等開展相關研究， 不斷深化著對物質微觀結構、宇宙演化和元素起源的認識， 特別是核物理重要前沿領域的研究對加速器大科學裝置提出了迫切需求。 放射性核束物理與核天體物理是當今物理學基礎研究的重要前沿領域， 其需求是建造大型放射性核束設施的主要推動力。

在20世紀70, 80年代， 我國選擇了中低能重離子物理作為主導發展方向， 建成了蘭州重離子加速器HIRFL和北京HI-13串列加速器等一批大裝置， 并開展了系列研究工作。 從20世紀90年代開始， 建成了HIRFL-RIBLL和CIAE-GIRAFFE放射性束流線， 特別是蘭州的冷卻儲存環大科學工程HIRFL-CSR已于2008年開始逐步投入使用， 北京放射性核束設施BRIF也進展順利。 自2000年開始， 放射性核束物理與核天體物理已經得到國家三輪國家重點基礎研究發展計劃（"973"項目）的支持， 還陸續得到若干國家自然科學基金重點項目的支持。

2011年， 核天體物理獲得了國家自然科學基金委員會創新研究群體科學基金的支持。 2014年，核天體物理項目"基于錦屏深地實驗室的核天體物理關鍵科學問題研究"獲得了國家自然科學基金重大項目的支持。 這些大科學裝置的建成和重點科研項目的實施， 穩定和發展了一支國內優勢的研究隊伍， 實驗探測設備和理論手段逐步發展完善， 科研水平穩步提升并在若干方面形成了較大的國際影響。

1 放射性核束物理與核天體物理

1.1 放射性核束物理

自然界穩定的原子核不到300個， 這些原子核基本上都有比較大的結合能（平均每個核子幾兆電子伏）， 因此可稱為深束縛原子核， 它們構成了我們生存環境中所有物質的基礎， 也提供了我們利用核能的源泉。 自1896年核科學誕生后直到20世紀80年代初， 人類對原子核的研究主要集中在這些穩定原子核， 目前人們對這些原子核的性質已經有了比較系統的認識。 隨著向穩定線兩側擴展， 原子核開始變得不穩定， 其結合能逐漸減小， 壽命逐漸縮短， 直到到達原子核穩定性的極限位置（也稱為滴線， 最后一個核子結合能為零）。 圖1給出了原子核從穩定線擴展到滴線區的示意圖。

從1985年在美國柏克萊國家實驗室的放射性束實驗開始， 人類研究的原子核數目迅速擴大， 目前實驗上已合成了近3000種。 原子核理論計算推斷， 在滴線以內的原子核有8000~10000個， 比穩定核多出數十倍。 接近滴線區的原子核蘊含著豐富的、與穩定原子核不同的現象與規律， 它可以成為弱束縛體系， 體積可以大大擴張（如暈核）， 結構形態可以有全新的圖像（如松散的集團和分子態）， 與連續態可以發生很強的耦合， 有效相互作用的性質也會發生顯著變化。 自20世紀80年代中期以來， 這些預言在一些研究中陸續得到證實， 如核子分布的暈結構、殼結構的新幻數、連續態強耦合等， 并觀察到奇特原子核的反應截面突變、多反應道耦合、多步過程等新的反應機制和效應。 這些現象預示著在遠離穩定線的區域， 原子核的結構和作用方式會發生系統的演變， 并出現以新的結構自由度和新的有效相互作用為表征的新物理。

但是， 由于放射性核束裝置提供不穩定束流的種類和強度的限制， 我們目前達到的核區疆界僅為理論預測的四分之一， 這促使國內外的核物理工作者繼續發展新的放射性核束裝置并開展研究。

1.2 核天體物理

浩瀚無垠的宇宙中無數閃閃發光的恒星都有形成、演化和死亡的過程。 由于恒星內部熱核反應釋放出來的輻射能量形成向外的壓力抗衡引力收縮， 導致恒星的平穩演化過程進行得非常緩慢。 一顆類似太陽的恒星一旦形成， 在大約1010年的時間內不會發生人們可直接觀測到的變化。 這些核反應不僅是恒星的能源， 也是宇宙中除氫以外所有元素賴以合成的唯一機制， 在原始大爆炸后最初幾分鐘至恒星壽命終結的宇宙和天體演化過程中起極為重要的作用。

核天體物理是研究微觀世界的核物理與研究宇觀世界的天體物理相融合形成的交叉學科， 其主要研究目標是： 宇宙中各種元素合成的過程、時間、物理環境、天體場所及豐度分布； 核反應（包括帶電粒子、中子、光子及中微子引起的反應、衰變及電子俘獲）如何控制恒星的演化過程和結局。

新星、X-射線暴和超新星等爆發性事件中的核合成， 其反應流沿遠離穩定線的路徑發展， 有大量不穩定核素卷入核燃燒過程。 這些過程發生在高溫高密的天體環境中， 反應率高、持續時間短， 主要包括快速質子俘獲（rp-）過程、快速中子俘獲（r-）過程和p-過程。 上述核合成過程及反應路徑示于圖2. 在實驗室中測量這些重要核過程涉及到大量不穩定核素的結構、反應和衰變特性。 研究上述爆發性天體事件中的核合成是當前核天體物理的極具挑戰性的主攻方向，天體中鐵以上元素的合成路徑被稱為是21世紀的十一大科學難題之一。

自然界的眾多宇觀核物質體系（如中子星或夸克星）， 也都處于同位旋極端不對稱狀態。 因此放射性核束物理研究與核天體物理研究在學術上形成自然的融合， 相互促進。

2 放射性核束的產生方法

國際上產生放射性核束可分為在線同位素分離法（Isotope Separator On-Line, 簡稱 ISOL法）、炮彈碎裂法（projectile fragmentation, 簡稱PF法）和兩步法（ISOL+PF）。

ISOL法采用驅動加速器加速穩定核束（通常是輕粒子束流， 能量從每核子幾十MeV到1 GeV）然后打厚靶， 通過各種核反應（低能時為熔合蒸發和轉移反應， 高能時為碎裂或裂變）產生不穩定的原子核， 將這些不穩定的反應產物用離子源收集， 通過離子源電離產生單電荷態放射性束， 經過在線同位素分離器分離選擇后， 通過電荷倍增器提高電荷態， 再利用常規加速器進行后加速形成放射性核束， 如圖3所示。

ISOL法需要兩臺加速器， 束流品質好、能量范圍寬（幾十keV~100 MeV/u）， 束流能量可調， 但僅能產生壽命較長（大于幾百毫秒）的放射性核束。 中國原子能科學研究院在建的北京放射性核束設施屬于ISOL型裝置.

PF法也稱飛行中分離（in flight）方法， 它利用驅動加速器加速后的穩定核束（通常是重離子核束， 能量幾十MeV/u~1 GeV/u）打薄靶， 反應產物的速度與穩定核束相當， 由靶中向前方飛出。 再利用電磁分離裝置， 經過收集、分離、純化并形成放射性束流提供實驗使用， 如圖4所示。 PF法可產生壽命短至幾百納秒量級的不穩定核束， 更加接近中子或質子滴線。 其缺點是束流品質差， 束流能散和束斑較大， 束流能量與初級束流接近， 較多研究需要降能。 為克服以上缺點， 可以把放射性核束注入儲存環以改善束流品質，這種方式的代價是失去那些短壽命的不穩定束流。

中國科學院近代物理研究所的RIBLL次級束流線屬于 PF 型 裝 置，這兩種方法各有所長， 互為補充。 但無論是PF法還是ISOL法， 都是通過一次反應產生放射性核素，都存在自身的弱點： PF裝置利用穩定炮彈制約了碎裂產物可達到的豐中子核區， 且束流品質一般比較差； 而ISOL裝置分離不同的核素需不同離子源， 同時有效分離時間為秒量級， 制約了更短壽命核束的產生。

未來的發展方向之一是ISOL+PF（或PF+ISOL）兩步法， 該方法結合前述兩種方法的優點而彌補其弱點。 ISOL+PF是從ISOL方法出發， 用強流輕粒子束（轉換成中子束）或反應堆驅動第一步反應產生豐中子不穩定產物， 利用ISOL法分離后進行后加速， 再利用PF法通過第二步反應產生更加遠離穩定線的產物， 通過電磁分離后產生放射性核束。 由于ISOL法得到的豐中子不穩定產物比穩定核多出5~8個中子，極端豐中子核的產生截面比穩定束（如238U）打靶的提高4~6個量級。 考慮不穩定離子束強度相對于穩定離子束強度低2, 3個量級和其他損失因素， 極端豐中子束流強度比在建裝置提高1, 2個量級。 PF+ISOL方法，則是從PF方法出發， 經電磁分離選取所需的放射性核， 在氣體俘獲器（gas-catcher）中慢化和收集， 然后做后加速， 這樣可以大大提高束流品質。

3 ISOL型放射性核束設施發展現狀

ISOL型裝置產生的放射性束流的品質高， 能量適中， 具有獨特的地位。 表1列出了當前國際已有的ISOL型放射性核束裝置及其相應參數。 從1989年比利時魯汶大學建成第一臺ISOL型放射性核束裝置開始， 美國、加拿大、法國、瑞士、意大利、中國都分別提出并建設了自己的ISOL型裝置。 這些放射性束裝置中， 法國的ALTO和SPIRAL-2采用了直線加速器作為驅動加速器， 瑞士的REX ISOLDE采用了質子同步加速器， 其他國家的驅動加速器均采用回旋加速器； 后加速采用了3種模式： 回旋加速器、串列加速器和直線加速器。

目前在放射性核束物理與核天體物理關鍵科學問題的驅動下， 加上廣闊的核科學應用需求， 國內外放射性核束裝置在快速發展， ISOL型裝置的發展潛力很大。 同時從需求上說， 強流極端豐中子的束流最為迫切。 隨著研究工作越接近滴線區， 不穩定核束的強度急劇降低， 需要發展新一代的裝置。 未來的解決方案， 多采用兩步法， 可以得到高強度的不穩定束流， 未來兩步法的思路是將ISOL與PF的特點結合，其原因在于ISOL產生次級束后加速再碎裂產生的豐中子束流強度， 比傳統的PF一步過程要高。 在建裝置： 美國MSU的FRIB上的次級束流線和德國的FAIR上的SuperFRS裝置等。 中國原子能科學研究院與北京大學聯合提出的北京ISOL計劃也將采用兩步法（北京ISOL項目建議書， 2013年）。

4 北京放射性核束設施簡介

北京放射性核束設施（Beijing Rare Ion BeamFacility, BRIF）基于北京串列加速器核物理國家實驗室， 是軍民結合、基礎與應用結合的多功能、多學科的研究裝置， 在國防科工局的串列加速器升級工程的支持下， 包括新建的強流質子回旋加速器（100MeV, 200 mA）、在線同位素分離器（質量分辨率為20000）、已有的串列加速器（端電壓可達15 MV）、超導直線加速段（2 MeV/q）和實驗終端（布局示意圖見圖5）。 BRIF有很大的靈活性， 各部分可根據需要單獨使用， 也同時使用， 還可聯接成不同的組合使用。 其原理是： 由回旋加速器提供強流質子束， 打靶后形成放射性核素經過離子源后成為帶正電荷的離子， 然后通過在線同位素分離器純化， 引出正離子穿過電荷交換管道變成負離子， 負離子注入串列加速器得到加速， 再注入到超導直線加速段進一步提升能量，由后加速引出后送至實驗大廳的終端開展核物理基礎和應用實驗。

2003年BRIF建議書獲得批準； 2004年可研報告獲得批準， 金額1.89億元人民幣； 2009年新版可研報告獲批， 金額調整為3.66億元人民幣； 2011年開始土建并完成回旋主磁鐵建造； 2014年7月4日， 100 MeV強流質子回旋加速器首次調試出束， 標志著BRIF工程重大里程碑節點的實現。 強流質子回旋加速器直徑6.16 m, 總重量475噸， 是國際上最大的緊湊型強流質子回旋加速器， 也是我國目前自主創新、自行研制的能量最高的質子回旋加速。BRIF工程完成后， 可產生的放射性束流種類及強度估算見表2和3. 表2列出了通過電荷交換反應、少數核子轉移反應和熔合蒸發反應可產生的放射性核束， 表3列出了通過質子打238U靶裂變反應可產生的放射性核束。

5 研究展望

目前， 國際上開展放射性核束物理比較活躍的研究機構有： 美國的MSU、日本的RIBF、德國的GSI和法國的 GANIL, 大部分研究成果都是基于PF型的放射性束流產生。 國際上的 ISOL 型裝置雖建成不少， 但大多處于初級階段， 有些沒有得到充足的運行支持， 如美國的HRIBF. 因此， 作為目前國際上較高水平的ISOL型裝置BRIF, 將為我國核物理基礎研究提供獨特的研究機遇。

BRIF建成后在放射性核束物理方面可以開展許多前沿工作， 如： 原子核的激發態存在奇異的雙質子發射現象[1], 滴線區新幻數的出現[2]和原子核反應截面的增加[3,4]. 此外， 原子核的集團效應也是近年來放射性核束領域的一大熱點課題[5], 雖然集團態理論研究有大進展， 僅少數集團態被實驗證實。

在核天體物理方面也將大有可為。 通過中子轉移反應使豐中子核素變得更豐中子， 研究這些極豐中子核素的單粒子特性[6], 并進而研究中子輻射俘獲（n,g）反應。 （n,g）反應是合成宇宙中鐵以上元素的最重要的途徑， 因為短壽命核素和中子都無法做靶， 所以難以直接測量不穩定核的（n,g）反應， （d,p）反應將是研究中子輻射俘獲（n,g）反應的極好方法[7]. 類似地， 通過質子轉移反應可以使豐質子核素變得更豐質子，研究這些核素的單粒子特性或者復合核的能級特性，進而可以研究質子輻射俘獲（p,g）反應[8,9]. （p,g）反應是恒星爆發性氫燃燒中的一類極其重要的反應， 它對于研究大質量恒星能源和元素起源有重要意義。 此外， b延發核子發射和集團發射也是研究天體核反應[10]和核素半衰期[11]
的有力工具。

BRIF可提供大量的豐中子放射性束流， 也為極端條件下核物質性質的研究提供重要的機遇。 通過豐中子束流引起的核反應， 可以獲得遠離飽和密度的、具有較大同位旋非對稱度的熱核體系或者核物質。 通過測量核反應發射的不同中子豐度的產物分布， 人們可以研究在極端條件下同位旋自由度的輸運性質， 研究熱核體系或核物質狀態方程， 從而正確理解遠離穩定線的核物質狀態方程， 這對于人們理解恒星、特別是中子星的性質和模型計算其演化屬性， 也是非常重要的。

除基礎研究課題外， BRIF也可以進行核數據測量和航天器件抗輻射加固研究， 并在材料科學、生命科學以及其他核技術應用領域都將做出新的開拓，它將是我國的核科學大型平臺之一。