Schwerionenbeschleuniger startet in China mit Rekord-Strahlintensität
China startet HIAF: Der neue Schwerionenbeschleuniger übertrifft bei Sauerstoffionen einen langjährigen Rekord der GSI Darmstadt.
Die High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility (HIAF) bei Huizhou aus der Luft. In der Anlage sollen intensive Schwerionenstrahlen für die Kernphysik und Materialforschung erzeugt werden.
Foto: Photo by IMP
250 Milliarden Sauerstoffionen in einem einzigen Puls: Mit diesem Wert hat Chinas neuer Schwerionenbeschleuniger HIAF nach Angaben des Betreibers einen mehr als zehn Jahre alten Rekord der GSI in Darmstadt übertroffen. Nun beginnt die Anlage bei Huizhou in der südchinesischen Provinz Guangdong mit dem Probebetrieb.
Die High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility, kurz HIAF, hat am 21. Juli 2026 ihre technische Abnahme bestanden. Damit ist die Bau- und Installationsphase weitgehend abgeschlossen. Die ersten umfassenden Strahltests waren bereits im Oktober 2025 gelungen.
Das Forschungszentrum erstreckt sich über rund 32 ha. Etwa 13 m unter dem Gelände verläuft eine insgesamt rund 2 km lange Strahlführung. Entwickelt und gebaut wurde die Anlage vom Institute of Modern Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.
HIAF soll künftig intensive Strahlen aus leichten und schweren Ionen erzeugen. Das Spektrum reicht nach Angaben des Instituts von Wasserstoff bis Uran. Die Forschenden wollen damit unter anderem kurzlebige Atomkerne untersuchen, astrophysikalische Kernreaktionen nachstellen und Werkstoffe unter hoher Strahlenbelastung testen.
Inhaltsverzeichnis
250 Milliarden Sauerstoffionen pro Puls
Für HIAF ist vor allem entscheidend, wie viele Ionen die Anlage gleichzeitig beschleunigen kann. Je mehr Teilchen ein Puls enthält, desto häufiger kommt es bei den Experimenten zu den gesuchten Reaktionen. Dadurch können Forschende auch seltene Vorgänge untersuchen, die mit schwächeren Strahlen kaum sichtbar wären.
Bei einem Test beschleunigte HIAF 250 Milliarden Sauerstoff-18-Ionen in einem einzigen Puls. Die Energie betrug 2,6 GeV pro Kernbaustein, also pro Proton oder Neutron.
Der bisherige Vergleichswert der GSI in Darmstadt lag nach Angaben des chinesischen Instituts bei 100 Milliarden Sauerstoffionen pro Puls. Mit Bismut-209 erreichte HIAF rund 32 Milliarden Ionen pro Puls.
Ein allgemeiner Weltrekord für Teilchenbeschleuniger ist das dennoch nicht. Anlagen wie HIAF, FAIR in Darmstadt oder FRIB in den USA sind für unterschiedliche Aufgaben gebaut. Sie unterscheiden sich unter anderem bei Energie, Teilchenzahl, Ionensorten und Versuchstechnik. Der Rekord gilt daher nur für die Intensität dieses speziellen Schwerionenstrahls.
Mehrere Beschleuniger arbeiten zusammen
Damit ein solcher Strahl entsteht, durchlaufen die Ionen mehrere Stufen. Zunächst entfernt eine Ionenquelle einen Teil der Elektronen aus den Atomen. Zurück bleiben positiv geladene Ionen, die sich durch elektrische Felder beschleunigen und mit Magnetfeldern lenken lassen.
Ein supraleitender Linearbeschleuniger bringt die Ionen zunächst auf hohe Geschwindigkeit. Anschließend übernimmt der schnell taktende Booster-Ring, kurz BRing. Dort kreisen die Teilchen viele Male durch dieselbe Beschleunigungsstrecke und gewinnen bei jedem Umlauf weitere Energie.
Je schneller die Ionen werden, desto stärker müssen die Magnete ihre Bahn krümmen. Das Magnetfeld im Booster ändert sich deshalb mit einer Rate von bis zu 12 T/s. Die dazugehörigen Stromversorgungen müssen ihre Ströme innerhalb von rund 100 ms um mehrere Tausend Ampere verändern.
Schon geringe Abweichungen können den Strahl destabilisieren. Treffen Ionen auf die Kammerwand, gehen sie für das Experiment verloren. Gleichzeitig können sie Material erhitzen, Bauteile aktivieren und zusätzliche Gasmoleküle aus den Oberflächen lösen.
Dünne Kammer begrenzt Wirbelströme
Die schnell wechselnden Magnetfelder erzeugen in metallischen Bauteilen Wirbelströme. Diese können das vorgesehene Magnetfeld verzerren und die Vakuumkammer erwärmen.
Die Kammern in den gepulsten Dipolmagneten besitzen deshalb eine Wand aus Titanlegierung, die stellenweise nur 0,3 mm dick ist. Die geringe Wandstärke reduziert die entstehenden Wirbelströme. Gleichzeitig muss die Konstruktion dem Druckunterschied zwischen dem Ultrahochvakuum im Inneren und dem äußeren Luftdruck standhalten.
Auf der Innenseite der Kammer befindet sich eine Getterschicht aus Titan, Zirkonium und Vanadium. Sie bindet verbliebene Gasmoleküle an der Oberfläche und unterstützt damit die Vakuumpumpen.
Druck im Bereich von 10⁻¹² mbar
Im Booster- und im Spektrometer-Ring herrscht nahezu völlige Leere. Während der Inbetriebnahme sank der Druck dort auf etwa 10⁻¹² mbar. Für die hoch geladenen Schwerionen ist dieses extreme Vakuum entscheidend.
Schon der Zusammenstoß mit einem einzelnen Gasmolekül kann dazu führen, dass ein Ion Elektronen aufnimmt oder verliert. Dadurch ändert sich seine elektrische Ladung. Die Magnete können es dann nicht mehr zuverlässig auf der vorgesehenen Bahn halten.
Bei besonders intensiven Strahlen droht eine Kettenreaktion: Verlorene Ionen schlagen gegen die Wand der Vakuumkammer und lösen dort weitere Gasmoleküle. Der Druck steigt lokal, wodurch noch mehr Ionen ihre Bahn verlassen. HIAF muss diesen sich selbst verstärkenden Effekt daher sehr genau kontrollieren.
Kurzlebigen Goldkern präziser vermessen
Die hohe Strahlintensität ist nur ein Teil des Konzepts. HIAF soll auch die Eigenschaften kurzlebiger Atomkerne präzise bestimmen.
Während der Inbetriebnahme untersuchten Forschende das Isotop Gold-202. Der instabile Kern lebt nur rund 28 s. Im Spektrometer-Ring ließ sich seine Masse bestimmen, während die Ionen weiter im Vakuum umliefen.
Die Messunsicherheit betrug nach Angaben der Chinesischen Akademie der Wissenschaften 11 keV. Damit war die Messung etwa doppelt so präzise wie ein früheres Experiment am Speicherring der GSI.
Der Spektrometer-Ring von HIAF hat einen Umfang von knapp 189 m. Dort können ausgewählte Ionen gespeichert und über viele Umläufe hinweg vermessen werden.
Forschung an den Grenzen der Kernstabilität
Mit den intensiven Primärstrahlen soll HIAF instabile Atomkerne erzeugen, die in der Natur nicht oder nur in winzigen Mengen vorkommen. Dazu schießen die Forschenden schnelle Ionen auf ein Target. Bei den Kollisionen entstehen zahlreiche Kernfragmente, die anschließend mit Magneten nach Masse und Ladung sortiert werden.
Das Forschungsprogramm reicht von den Grenzen der Kernstabilität und kernastrophysikalischen Reaktionen bis zur Untersuchung dichter Kernmaterie. Mehrere spezialisierte Experimentierstationen stehen dafür bereit.
Daneben soll die Anlage Anwendungen außerhalb der Grundlagenphysik unterstützen. Dazu zählen die Untersuchung strahlenfester Materialien, biologische Experimente und medizinische Strahlenforschung. Auch die gezielte Erzeugung von Mutationen in Pflanzen gehört zu den genannten Anwendungsfeldern.
HIAF soll als internationale Nutzeranlage arbeiten. Forschende aus Hochschulen, Instituten und Unternehmen können dort künftig Experimente beantragen. Zunächst muss sich jedoch zeigen, ob der Beschleuniger seine Rekordwerte auch im längeren Probebetrieb stabil und zuverlässig erreicht.
Ein Beitrag von:
