Na Península de Renping, em Huizhou, província de Guangdong, vários edifícios vermelhos se erguem do chão, dois dos quais são particularmente notáveis: um tem a forma de um triângulo de cantos arredondados, o outro parece uma pista de corrida gigante. A 13 metros de profundidade no subsolo, esconde-se um túnel de dois quilômetros de extensão. O que ali está instalado é a grande infraestrutura científica nacional — o Acelerador de Íons Pesados de Alta Intensidade (HIAF).
Em 21 de julho, o HIAF passou com sucesso pela aceitação técnica. O painel de especialistas em aceitação concluiu unanimemente que o desempenho abrangente do HIAF atingiu o nível líder entre instalações similares internacionais, realizando um desenvolvimento transcendente do acelerador de íons pesados de alta intensidade da China. Com isso, todos os conteúdos de construção deste projeto foram concluídos, e a instalação entrou oficialmente em operação experimental, abrindo suas portas para a pesquisa científica.
"O HIAF é o primeiro dispositivo avançado de pesquisa de íons pesados do mundo a integrar um acelerador linear supercondutor, um síncrotron e um anel de armazenamento em um só sistema", apresentou Yang Jiancheng, vice-diretor do Instituto de Física Moderna da Academia Chinesa de Ciências e engenheiro-chefe do Acelerador de Íons Pesados de Alta Intensidade. Ele fornece o feixe de íons pesados com a maior intensidade de pulso internacionalmente, equipado com o espectrômetro de anel de massa nuclear de maior precisão, oferecendo uma plataforma de pesquisa de primeira linha para as fronteiras da ciência nuclear e aplicações importantes de íons pesados.
Proposta inovadora de novo esquema de "espalhamento no espaço de fase hexadimensional"
O que é exatamente o HIAF? Yang Jiancheng fez uma analogia: ele é tanto um "supermicroscópio" quanto um "canhão de íons".
Em termos simples, um acelerador de íons pesados usa métodos artificiais para criar feixes de íons em alta velocidade, que bombardeiam com precisão materiais-alvo, produzindo uma grande quantidade de fragmentos de partículas. Os cientistas então analisam esses fragmentos para desvendar, camada por camada, a estrutura microscópica interna da matéria.
Já na década de 1980, a China construiu seu primeiro grande acelerador de íons pesados — o Acelerador de Íons Pesados de Lanzhou. Por que construir o HIAF? Yang Jiancheng disse sorrindo: "À medida que a pesquisa científica avança cada vez mais para o microcosmo extremo e para condições extremas, construir aceleradores de íons pesados de alto desempenho e alta intensidade tornou-se uma necessidade urgente para impulsionar o desenvolvimento das fronteiras da ciência nuclear."
O Instituto de Física Moderna da Academia Chinesa de Ciências propôs a construção do HIAF em 2009. Em dezembro de 2018, a construção do HIAF foi oficialmente iniciada em Huizhou, e o primeiro feixe foi extraído com sucesso em outubro de 2025.
O ponto de partida de toda a instalação está escondido a 13 metros de profundidade no subsolo, onde há uma fonte de íons supercondutora. Sua função é remover parte dos elétrons dos átomos, transformando-os em íons carregados e fornecendo-lhes energia inicial.
O indicador mais central dos aceleradores de nova geração é a "alta intensidade de feixe". Como fazer a fonte de íons produzir feixes mais intensos também é um foco da pesquisa internacional atualmente. "Esta é a primeira fonte de íons de ressonância ciclotrônica de elétrons (ECR) supercondutora de quarta geração do mundo, desenvolvida por nós mesmos", disse Shen Guodong, chefe do Departamento Geral de Aceleradores do Centro de Tecnologia de Aceleradores, apontando para uma grande máquina branca e contando aos repórteres: "A equipe elevou a frequência de micro-ondas para 45 gigahertz, criando o recorde internacional de maior intensidade de feixe para fontes de íons ECR."
Esta fonte de íons adota um modo de operação de feixe pulsado, que, por meio de controle preciso de temporização, permite a extração instantânea do feixe de íons sob condições ideais. "Esse processo é como ajustar com precisão o acelerador e o tempo de ignição de um motor, fazendo o feixe de íons atingir seu estado operacional ideal no 'momento da largada'", disse Shen Guodong.
A inovação vai muito além disso. Para acumular um grande número de partículas em intensidade ultra-alta, é necessário mantê-las ordenadas e sem desordem — este é um desafio de classe mundial, sem grandes avanços internacionais há mais de 20 anos. O novo método de "espalhamento no espaço de fase hexadimensional + empilhamento com relógio independente" proposto pela equipe não apenas expande o método de injeção, antes limitado ao espaço bidimensional, para seis dimensões, mas também quebra a limitação da razão de perímetro.
"É como primeiro organizar uma coreografia de formação para bilhões de 'balas de íons', espalhando-as uniformemente no espaço de fase, e depois usar um relógio independente para comandar os íons com precisão, injetando-os no acelerador principal em lotes e de forma intercalada", explicou Yang Jiancheng de forma vívida. "Isso realiza sincronização em nível de milissegundos sem interferência, acumulando finalmente o feixe de íons de alta intensidade e alta qualidade necessário para os experimentos."
Foi exatamente esse avanço que permitiu ao HIAF aumentar o ganho de acumulação de intensidade em 10 vezes em relação ao maior nível internacional, reduzindo a perda de feixe em uma ordem de grandeza.
Recorde internacional de intensidade de pulso de feixe de íons pesados quebrado
"Os equipamentos principais do HIAF foram totalmente nacionalizados", disse Yang Jiancheng com orgulho. "Construímos o acelerador de íons pesados com a maior intensidade de pulso do mundo!"
Essa confiança vem da persistência incansável da equipe ao longo de dezesseis anos e da determinação em enfrentar os "ossos duros".
Para garantir o fluxo desimpedido do feixe de íons pesados, a equipe primeiro precisou pavimentar uma "autoestrada" — o tubo de vácuo. "Os íons pesados percorrem cerca de centenas de milhares de voltas por segundo. Essa cena intensa não tolera nenhum grão de poeira, caso contrário o feixe colidirá com moléculas de gás e sofrerá um 'acidente'", revelou Jiao Jiqiang, engenheiro do Departamento de Tecnologia de Vácuo do Centro de Tecnologia de Aceleradores, o segredo exclusivo: a câmara de vácuo ultra-alta de parede ultrafina com revestimento interno de esqueleto, uma inovação mundial.
A pele desta câmara de vácuo é fina como asas de cigarra, com apenas 0,3 milímetros de espessura, equivalente a três folhas de papel A4 empilhadas; internamente, é sustentada por um esqueleto de liga de titânio impresso em 3D, com apenas 4 milímetros de espessura. O vácuo em seu interior é mais alto que o da superfície lunar. Além disso, esse design não só é resistente e tem baixas correntes parasitas, mas também reduz significativamente o custo de engenharia.
Correr rápido não basta; é preciso também correr com estabilidade. No sistema de alimentação elétrica do HIAF, a fonte de alimentação pulsada do ímã dipolo do booster desempenha o papel de "timoneiro preciso" da operação do feixe. A equipe desenvolveu a primeira fonte de alimentação de pulso rápido de ciclo de armazenamento total de energia com pré-excitação variável não ressonante do mundo, resolvendo o problema da variação extremamente rápida da corrente e do controle de alta precisão durante a operação pulsada da fonte de alimentação.
Essa fonte de alimentação alcança a taxa de aumento de corrente mais rápida do mundo, de 38.000 amperes por segundo, com erro de rastreamento inferior a 0,2 ampere. "Isso equivale a um carro de corrida superveloz a cerca de 140.000 km/h em uma rodovia de Pequim a Xangai, desviando-se da faixa por não mais que 20 centímetros em todo o percurso", disse Wang Xiaojun, vice-diretor do Departamento de Tecnologia de Alimentação Elétrica do Centro de Tecnologia de Aceleradores.
O feixe em "movimento contínuo" precisa de energia inesgotável. Acelerar o feixe de íons pesados a altas energias depende do "super motor" do feixe — o sistema de radiofrequência. No entanto, o componente central desse sistema, o "anel de liga magnética resfriado a óleo de grande porte", enfrentou uma rigorosa proibição de venda e bloqueio tecnológico por parte de países estrangeiros.
"Quando a construção da instalação foi oficialmente iniciada, esse componente ainda não havia sido desenvolvido, e a pressão sobre todos era imensa", relembrou Cong Yan, chefe do Departamento de Tecnologia de Radiofrequência do Centro de Tecnologia de Aceleradores. Na época, a cooperação com vários fabricantes nacionais avançava lentamente, e as amostras não conseguiam atender aos requisitos. A equipe realizou experimentos repetidos a partir dos materiais de origem e, finalmente, desenvolveu com sucesso anéis de liga magnética nacionais de alto desempenho, cujos parâmetros de desempenho principais superam os produtos internacionais similares em mais de 60%.
Graças à inovação autônoma em toda a cadeia, o HIAF alcançou a integração completa da linha de feixe de 2 quilômetros em 16 horas, criando um novo recorde internacional de velocidade de comissionamento de feixe para instalações similares. As intensidades típicas de feixe de íons de oxigênio e íons de bismuto do HIAF quebraram recordes internacionais, aumentando os maiores indicadores internacionais anteriores em 3 vezes e 7,5 vezes, respectivamente. Muitos experimentos que antes exigiam meses ou até anos para acumular dados poderão, no futuro, ser concluídos em dias ou até horas.
Perspectiva de sintetizar novos elementos chineses
A linha de feixe do HIAF tem 2 quilômetros de extensão total, equipada com 6.000 grandes equipamentos, mais de 5 milhões de componentes e 1,5 milhão de metros de tubulações de processo. Para uma instalação científica de tamanha escala e complexidade sistêmica, a comunidade internacional geralmente precisa de dois a três anos para a instalação, mas a equipe do HIAF construiu uma plataforma colaborativa de gêmeo digital para todo o sistema, conseguindo reduzir o período de construção para 8 meses. Atualmente, essa tecnologia já foi promovida para a construção de várias outras grandes infraestruturas científicas, como a Fonte de Luz Avançada de Hefei e a Instalação de Lasers de Attossegundos Avançados.
Como o primeiro grande dispositivo científico de acelerador do mundo com configuração "linha supercondutora + síncrotron de ciclo rápido + anéis de armazenamento em cascata", a configuração única "três em um" do HIAF traz duas vantagens principais: primeiro, a cobertura de todos os tipos de íons, atendendo às necessidades de pesquisa em múltiplas disciplinas; segundo, a intensidade ultra-alta, que significa a capacidade de fornecer dados experimentais mais abundantes, produzir mais novos nuclídeos difíceis de gerar anteriormente e ajudar os cientistas a descobrir novos fenômenos físicos.
Yang Jiancheng disse com grande expectativa: "Com esta grande infraestrutura científica, os cientistas chineses têm a esperança de sintetizar novos elementos próprios dos chineses, fincando a bandeira vermelha de cinco estrelas na tabela periódica." Atualmente, a tabela periódica já possui o elemento 118, e o sétimo período está completamente preenchido. Estados Unidos, Rússia, Alemanha, Japão e outros países já sintetizaram com sucesso 15 novos elementos, nomeando-os em homenagem a seus países ou locais. Explorar a síntese dos novos elementos 119 e 120 é um dos objetivos científicos importantes do HIAF.
Além de explorar os limites de existência do núcleo atômico, após a entrada em operação, a instalação também se concentrará em revelar processos astrofísicos nucleares, promover o desenvolvimento da energia nuclear e aplicações multidisciplinares. Por exemplo, o HIAF também pode ser usado para testes de resistência à radiação de naves espaciais, impulsionar o desenvolvimento da energia nuclear e a pesquisa de materiais funcionais, e desempenhará um papel enorme no bem-estar público, como promover a pesquisa e o desenvolvimento da terapia de íons pesados para o câncer e medicamentos com radioisótopos médicos, e ser aplicado no melhoramento de cultivos e na conservação de alimentos. Atualmente, um novo dispositivo de radioterapia de íons pesados de próxima geração e amplamente acessível, baseado na transferência de tecnologia avançada do HIAF, já foi instalado no Hospital Popular Central de Huizhou.
Vale mencionar que a equipe também deixou uma margem para o futuro. "O túnel do acelerador linear supercondutor tem quase 400 metros de extensão, dos quais mais de 100 metros estão atualmente instalados; os mais de 200 metros restantes são reservados especificamente para atualizações e iterações futuras", disse Shen Guodong. Esse design prospectivo permite que a grande infraestrutura científica se adapte com tranquilidade às necessidades de pesquisa em constante evolução no futuro.
"Do nada à existência, de seguidor a líder, gravamos a solução chinesa no mapa tecnológico mundial e construímos uma 'grande infraestrutura nacional' que lidera as fronteiras da ciência nuclear e aplicações importantes", afirmou Yang Jiancheng. Em um novo ponto de partida, esperamos poder fornecer feixes de alta performance e alta qualidade aos usuários, contribuindo para a produção de resultados importantes.