في شبه جزيرة رينبينغ بمحافظة هويتشو في مقاطعة قوانغدونغ، تتربع عدة مبانٍ حمراء اللون، من بينها مبنىيان يلفتان الأنظار بشكل خاص: أحدهما على شكل مثلث دائري الزوايا، والآخر يشبه مضمار سباق عملاق. وعلى عمق 13 متراً تحت الأرض، يختبئ نفق يبلغ طوله كيلومترين. هنا يقع مرفق البنية التحتية العلمية والتكنولوجية الوطنية الكبير — جهاز معجل الأيونات الثقيلة عالي الكثافة (HIAF).

في 21 يوليو، اجتاز HIAF بنجاح القبول الفني للمشروع. وأجمعت لجنة الخبراء المختصة بالقبول على أن الأداء الشامل لجهاز HIAF قد بلغ المستوى المتقدم بين الأجهزة المماثلة دولياً، محققاً قفزة تطويرية لجهاز معجل الأيونات الثقيلة عالي الكثافة في الصين. وبهذا، اكتملت جميع محتويات بناء هذا المشروع، ودخل الجهاز رسمياً مرحلة التشغيل التجريبي، وبدأ يفتح أبوابه أمام البحوث العلمية.

قال يانغ جيان تشنغ، نائب مدير معهد الفيزياء الحديثة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم والمهندس العام لجهاز معجل الأيونات الثقيلة عالي الكثافة: "إن HIAF هو أول جهاز بحثي متقدم للأيونات الثقيلة في العالم يدمج بين المعجل الخطي فائق التوصيل والمعجل التزامني وحلقة التخزين في منظومة واحدة." ويوفر هذا الجهاز حالياً أعلى كثافة تدفق نبضي للحزم الأيونية الثقيلة على المستوى الدولي، وهو مزود بمطياف حلقي عالي الدقة لقياس الكتل النووية، مما يوفر منصة بحثية من الطراز الأول لاستكشاف حدود الفيزياء النووية والتطبيقات الكبرى للأيونات الثقيلة.

طرح مبتكر لمخطط جديد لطمس الفضاء السداسي الأبعاد

ما هو HIAF بالضبط؟ شبهه يانغ جيان تشنغ بمجازين: فهو "مجهر فائق" و"مدفع أيوني" في آن واحد.

بشكل مبسط، يعمل معجل الأيونات الثقيلة على توليد حزم أيونية عالية السرعة بوسائل اصطناعية، لتقذف بدقة أهدافاً محددة، فتصطدم بها منتجةً كميات كبيرة من شظايا الجسيمات. ومن ثم يقوم العلماء بتحليل هذه الشظايا، ليتمكنوا من كشف البنية المجهرية الداخلية للمادة طبقة بعد طبقة.

في ثمانينيات القرن الماضي، بنت الصين أول معجل كبير للأيونات الثقيلة — معجل لانتشو للأيونات الثقيلة. فلماذا نحتاج إلى بناء HIAF؟ قال يانغ جيان تشنغ مبتسماً: "مع تعمق البحث العلمي نحو المستويات المجهرية القصوى والتقدم نحو الظروف القاسية، أصبح بناء معجل أيونات ثقيلة عالي الأداء وعالي الكثافة حاجة ملحة لدفع تطور حدود العلوم النووية."

اقترح معهد الفيزياء الحديثة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم فكرة بناء HIAF في عام 2009. وفي ديسمبر 2018، بدأ البناء الرسمي لـ HIAF في هويتشو، وتم بنجاح إخراج الحزمة الأولى في أكتوبر 2025.

نقطة انطلاق الجهاز بأكمله مخبأة على عمق 13 متراً تحت الأرض، حيث توجد مجموعة مصدر أيوني فائق التوصيل. وتتمثل وظيفته في نزع جزء من إلكترونات الذرات، لتحويلها إلى أيونات مشحونة، ومنحها طاقة أولية.

أهم مؤشر أساسي للجيل الجديد من المعجلات هو "الكثافة العالية". إن كيفية جعل المصدر الأيوني ينتج حزماً أقوى هي أيضاً محور الاهتمام البحثي الدولي حالياً. "هذا هو الجيل الرابع من مصدر الأيونات بالرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR) فائق التوصيل، وهو الأول من نوعه عالمياً من تطويرنا الذاتي." قال شين غوه دونغ، المسؤول عن المكتب العام للمعجلات في مركز تكنولوجيا المعجلات، مشيراً إلى آلة بيضاء كبيرة للصحفيين: "لقد رفع الفريق تردد الموجات الدقيقة إلى 45 جيجاهرتز، محققاً رقماً قياسياً عالمياً لأعلى كثافة تدفق لمصادر ECR الأيونية."

يعتمد هذا المصدر الأيوني وضع تشغيل الحزمة النبضية، حيث يتم من خلال التحكم الدقيق في التوقيت الزمني تحقيق استخراج لحظي للحزمة الأيونية في أفضل الظروف. "تشبه هذه العملية الضبط الدقيق لدواسة الوقود وتوقيت الإشعال في المحرك، مما يجعل الحزمة الأيونية تصل إلى حالة التشغيل المثلى في 'لحظة الانطلاق'." قال شين غوه دونغ.

الابتكار لا يتوقف عند هذا الحد. لتجميع كميات هائلة من الجسيمات إلى كثافة فائقة الارتفاع، يجب أيضاً الحفاظ على انتظامها وعدم تشتتها — وهذه معضلة عالمية المستوى، لم تشهد حلاً جذرياً على المستوى الدولي منذ أكثر من 20 عاماً. أما الطريقة الجديدة التي اقترحها الفريق، وهي "طمس الفضاء السداسي الأبعاد + التكديس بساعة زمنية مستقلة"، فقد وسعت أسلوب الحقن الذي كان مقتصراً سابقاً على الفضاء ثنائي الأبعاد إلى ستة أبعاد، وكسرت أيضاً قيود نسبة المحيط.

"هذا يشبه أولاً ترتيب حركات استعراضية منسقة لمليارات 'الرصاصات الأيونية'، بحيث تتوزع بشكل متساوٍ في الفضاء الطوري، ثم استخدام ساعة زمنية مستقلة لقيادة الأيونات بدقة، وحقنها في المعجل الرئيسي على دفعات وبشكل متناوب." شرح يانغ جيان تشنغ بشكل مجازي: "يتم تحقيق تزامن خالٍ من التداخل على مستوى المللي ثانية، ليتراكم في النهاية حزمة أيونية عالية الكثافة وعالية الجودة تلبي متطلبات التجارب."

بفضل هذا الاختراق تحديداً، ارتفع كسب تراكم الكثافة في HIAF بمقدار 10 أضعاف مقارنة بأعلى مستوى دولي، وانخفض فقدان الحزمة بمقدار مرتبة واحدة من حيث الحجم.

تحطيم الرقم القياسي العالمي لكثافة التدفق النبضي للحزم الأيونية الثقيلة

"لقد حققت المعدات الأساسية لـ HIAF توطيناً كاملاً للتصنيع المحلي." قال يانغ جيان تشنغ بفخر: "لقد بنينا معجل الأيونات الثقيلة الأعلى كثافة تدفق نبضي على المستوى الدولي!"

هذه الثقة تأتي من إصرار الفريق الذي دام ستة عشر عاماً بلا كلل، ومن عزيمتهم على اقتحام "المشاكل العسيرة".

لضمان مرور الحزم الأيونية الثقيلة دون عوائق، كان على الفريق أولاً مد "طريق سريع" — وهو أنبوب مفرغ. "تدور الأيونات الثقيلة مئات الآلاف من المرات في الثانية الواحدة. هذا المشهد العنيف لا يحتمل وجود ذرة غبار واحدة، وإلا ستصطدم الحزمة بجزيئات الغاز وتتعرض لـ 'حادث'." كشف جياو جي تشانغ، مهندس مكتب تكنولوجيا التفريغ في مركز تكنولوجيا المعجلات، عن الحل الفريد: غرفة تفريغ فائقة الارتفاع بجدار رقيق للغاية مع هيكل داخلي مبطن، وهي الأولى من نوعها عالمياً.

الطبقة الخارجية لهذه الغرفة رقيقة كجناح الفراشة، بسمك 0.3 مليمتر فقط، أي ما يعادل سمك ثلاث أوراق بحجم A4 مكدسة؛ أما داخلها فتدعمه هيكل من سبائك التيتانيوم مطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، بسمك 4 مليمترات فقط. ومستوى التفريغ في داخلها أعلى من سطح القمر. وهذا التصميم ليس متيناً فحسب وذا تيارات دوامية منخفضة، بل خفض أيضاً تكلفة البناء بشكل كبير.

الجري السريع يجب أن يترافق مع الجري الثابت. في نظام الطاقة لـ HIAF، يلعب مصدر الطاقة النبضي لمغناطيس ثنائي القطب في المعجل المعزز دور "الموجّه الدقيق" لتشغيل الحزمة. طوّر الفريق أول مصدر طاقة نبضي سريع التناوب في العالم بتخزين طاقة كامل مع إثارة مسبقة غير رنانة، مما حل مشكلة التغير السريع للتيار والتحكم عالي الدقة أثناء التشغيل النبضي لمصدر الطاقة.

يحقق مصدر الطاقة هذا أسرع معدل ارتفاع للتيار في العالم يبلغ 38000 أمبير/ثانية، مع خطأ تتبع أقل من 0.2 أمبير. "هذا يعادل سيارة سباق خارقة بسرعة حوالي 140 ألف كيلومتر في الساعة، تسير على طريق سريع من بكين إلى شنغهاي، ولا ينحرف مسارها عن المسار المحدد بأكثر من 20 سنتيمتراً طوال الرحلة." قال وانغ شياو جون، نائب مدير مكتب تكنولوجيا الطاقة في مركز تكنولوجيا المعجلات.

استمرار "جريان" الحزمة يتطلب طاقة دافعة لا تنضب. تسريع الحزم الأيونية الثقيلة إلى طاقات عالية لا يمكن أن يتم دون "المحرك الفائق" للحزمة — وهو نظام الترددات العالية. ومع ذلك، واجه المكوّن الأساسي لهذا النظام، وهو "حلقة السبائك المغناطيسية المبردة بالزيت كبيرة الحجم"، حظراً صارماً على التصدير وحصاراً تكنولوجياً من الخارج.

"عندما بدأ البناء الرسمي للجهاز، لم يكن هذا المكوّن قد طُوّر بعد، وكان الضغط هائلاً على الجميع." يتذكر كونغ يان، مدير مكتب تكنولوجيا الترددات العالية في مركز تكنولوجيا المعجلات. في ذلك الوقت، كان التعاون مع العديد من المصنعين المحليين يسير ببطء، وكانت العينات صعبة تلبية المتطلبات. فقاموا بتجارب متكررة بدءاً من المواد الأولية، ونجحوا في النهاية في تطوير حلقة سبائك مغناطيسية عالية الأداء محلية الصنع، تجاوزت معايير أدائها الأساسية المنتجات المماثلة الدولية بأكثر من 60%.

بفضل الابتكار الذاتي على طول سلسلة القيمة الكاملة، حقق HIAF تشغيلاً متكاملاً لخط الحزمة البالغ طوله كيلومترين خلال 16 ساعة، مسجلاً رقماً قياسياً جديداً في سرعة تصحيح الحزمة للأجهزة المماثلة دولياً. كما حطمت كثافة حزم الأيونات النموذجية للأكسجين والبيزموت في HIAF الأرقام القياسية الدولية، حيث رفعت أعلى مؤشر دولي سابق بمقدار 3 أضعاف و7.5 أضعاف على التوالي. العديد من التجارب التي كانت تتطلب في السابق شهوراً أو حتى سنوات لتجميع البيانات، قد تكتمل في المستقبل خلال أيام أو حتى ساعات.

أمل في تخليق عناصر جديدة باسم الصين

يبلغ إجمالي طول خط الحزمة في HIAF كيلومترين، ويضم 6000 قطعة من المعدات الكبيرة، وأكثر من 5 ملايين مكوّن، و1.5 مليون متر من خطوط الأنابيب التقنية. بالنسبة لمثل هذا الجهاز العلمي الضخم والمعقد، تحتاج الأجهزة المماثلة دولياً عادةً إلى سنتين إلى ثلاث سنوات للتثبيت، لكن فريق HIAF بنى منصة تعاون رقمية مزدوجة شاملة للنظام بأكمله، وتمكنوا من تقليص فترة البناء إلى 8 أشهر فقط. حالياً، تم تعميم هذه التقنية على بناء العديد من المنشآت العلمية الكبرى الأخرى مثل مصدر الضوء المتقدم في خفي ومنشأة الليزر النبضي الفائق القصر المتقدم.

باعتباره أول جهاز علمي كبير في العالم يجمع بين "المعجل الخطي فائق التوصيل + المعجل التزامني سريع التناوب + حلقات التخزين المتتالية"، يوفر التصميم الفريد "الثلاثي" لـ HIAF ميزتين أساسيتين: الأولى هي تغطية جميع أنواع الأيونات، مما يلبي احتياجات البحث في مجالات علمية متعددة؛ والثانية هي الكثافة الفائقة الارتفاع، مما يعني توفير بيانات تجريبية أكثر ثراءً، وإنتاج نويدات جديدة كانت صعبة التكوين في السابق، ومساعدة الباحثين على اكتشاف ظواهر فيزيائية جديدة.

قال يانغ جيان تشنغ بتفاؤل: "بفضل هذا الجهاز العلمي الكبير، يأمل العلماء الصينيون في تخليق عناصر جديدة باسم الصين، ورفع العلم الصيني على الجدول الدوري للعناصر." حالياً، يحتوي الجدول الدوري على 118 عنصراً، وقد اكتمل الصف السابع. وقد نجحت الولايات المتحدة وروسيا وألمانيا واليابان وغيرها في تخليق 15 عنصراً جديداً وسُميت بأسماء دولها أو أماكنها. إن استكشاف تخليق العنصرين الجديدين 119 و120 هو أحد الأهداف العلمية المهمة لـ HIAF.

إلى جانب استكشاف حدود وجود النواة الذرية، سيركز الجهاز بعد تشغيله أيضاً على أهداف مثل كشف العمليات الفيزيائية الفلكية النووية، وتعزيز تطوير الطاقة النووية والتطبيقات متعددة التخصصات. على سبيل المثال، يمكن استخدام HIAF أيضاً لاختبار مقاومة الإشعاع للمركبات الفضائية، وتعزيز تطوير الطاقة النووية وتطوير المواد الوظيفية، وسيلعب دوراً كبيراً في المجالات المتعلقة بمعيشة الناس، مثل تعزيز تطوير علاج السرطان بالأيونات الثقيلة والأدوية بالنظائر المشعة الطبية، وتطبيقاته في تربية المحاصيل وحفظ الأغذية. حالياً، تم تركيب جهاز علاج إشعاعي بالأيونات الثقيلة من الجيل الجديد الشامل القائم على تحويل التقنيات المتقدمة لـ HIAF في المستشفى المركزي لمدينة هويتشو.

جدير بالذكر أن الفريق أبقى على خيارات للمستقبل. "يبلغ طول نفق المعجل الخطي فائق التوصيل حوالي 400 متر، وقد تم تركيب ما يزيد قليلاً عن 100 متر منه حالياً، بينما تم تخصيص ما تبقى من أكثر من 200 متر للترقيات والتكرارات المستقبلية." قال شين غوه دونغ، إن هذا التصميم الاستباقي يمكن الأجهزة العلمية الكبرى من التكيف بمرونة مع احتياجات البحث العلمي المتغيرة باستمرار في المستقبل.

"من العدم إلى الوجود، ومن اللحاق إلى الريادة، لقد نقشنا الحل الصيني في خريطة التكنولوجيا العالمية، وبنينا 'أداة الدولة العظيمة' التي تقود حدود العلوم النووية والتطبيقات الكبرى." قال يانغ جيان تشنغ، معرباً عن تطلعه، على هذه النقطة الجديدة، إلى توفير حزم عالية الأداء وعالية الجودة للمستخدمين، والمساهمة في إنتاج نتائج علمية كبرى.