四十载砥砺奋斗，重离子物理研究所始终恪守探索与创新的初心，勇攀科学高峰，拓展领域边界，一直紧跟科学前沿和国家重大需求开展研究工作，积极承担并攻克科技部973、863、重大科学仪器设备开发专项，国家自然科学基金重大、重点、面上等一大批重要的国家级科研项目，取得了多项具有原创性的重要成果，曾获科技部、教育部、北京市等多项表彰奖励。
近年来重离子物理研究所在顶级期刊上发表研究论文的数量和质量不断提升，每年稳定发表研究论文数量近百篇，多个研究团队在享誉全球的NatureNeuroscience、NaturePhotonics、NatureCommunications、PhysicalReviewLetters、PhysicalReviewX等国际顶级期刊发表高水平论文，屡获科研界赞誉。伴随着科研经费的逐年稳步增长，多位研究团队和成员先后荣膺科技部奖项和社会荣誉称号，重离子物理研究所的科研实力和影响力得到了广泛的学术认可和行业赞誉。
以下总结罗列了40年来各个研究团队所取得的重大代表性科研成果：
1994年，北京大学研制的我国第一只射频超导加速腔（频率为1.5GHz）
2008年，射频超导团队研制成功我国第一只9-cell纯铌超导腔，加速梯度达到23MV/m,接近当时的国际先进水平。随后研制的实用型细晶纯铌超导腔加速梯度28.4MV/m,达到国际直线对撞机（ILC）超导腔的可用标准，大晶粒铌材超导腔在22MV/m加速梯度时品质因数达到2×1010，上述成果获得2010年教育部科技进步二等奖。2013年，团队研制的9-cell超导腔加速梯度32.4MV/m,品质因数高于1×1010,全面达到ILC的要求。
2015年以来，射频超导团队在高品质因数超导腔制备方面开展了系列工作。2020年底，团队高质量地完成了“十二五”国家重大科技基础设施建设项目“X射线自由电子激光试验装置”之分总体“射频超导加速单元”的建设任务（北京大学为项目共建单位），实现了超导腔研制的全国产化，垂直测试加速梯度和无载品质因数达到国际先进水平，为“十三五”重大科技基础设施建设项目“硬Ｘ射线自由电子激光装置”的立项提供了重要支撑。射频超导团队还通过中温退火工艺的优化，简化了超导腔的后处理工艺，使1.3GHz9-cell超导腔在2K温度下、16MV/m加速梯度时的品质因数超过2.0×1010，为连续波X射线自由电子激光装置提供了技术支撑。
射频超导团队承担了环形正负电子对撞机（CEPC）650MHz2-cell超导腔的研制、掺氮处理及低温性能测试等工作，研制的超导腔在2K温度下、22MV/m加速梯度时的品质因数达到6.0×1010。在国家“十三五”科技创新成就展上，与中国科学院高能物理研究所联合展示了在650MHz高性能超导腔方面取得的重大成果。650MHz超导腔的测试结果创造了国内大尺寸椭球型（<1GHz）超导腔的最高纪录，不仅可用于CEPC项目，还可以用于国家重大科技基础设施“加速器驱动嬗变研究装置”（CiADS）项目建设和“中国散裂中子源”（CSNS）项目升级等。
射频超导团队的研究得到了国际上的认可。2003年，北京大学成为TESLA（TeVSuperconductingLinearAccelerator）国际合作组的正式成员。2007年，北京大学成功举办了第十三届国际射频超导会议（SRF2007），陈佳洱院士担任大会主席。团队还为美国杰斐逊实验室（JLab）研制了两只1.5GHz7-cell超导腔用于其连续电子束加速装置（CEBAF）的加速器升级研究，为美国阿贡国家实验室（ANL）研制了一只1.3GHz5-cell超导腔用于其强流加速器研究。
2004年，DC-SRF样机建成，其DC电压设计值为70kV（实际运行值30~40kV），加速腔采用1.5-cell结构。样机工作在4.2~4.4K温度，实现了宏脉冲模式载束运行，获得了270mA的最大宏脉冲平均流强和1.1MeV的最大增能，成功地验证了DC-SRF概念的可行性。
DC-SRF样机，左图1~8分别为绝缘陶瓷、光阴极、DC间隙、液氦槽、1.5-cellSRF加速腔、高阶模耦合器、液氮屏以及同轴型RF功率耦合器
2011年，第一代DC-SRF电子枪（DC-SRF-I）建成。同时，2K低温系统投入运行，电子枪运行所需的其他配套系统，包括在线Cs2Te光阴极制备与传输室、激光系统、1.3GHz20kW固态功率源、数字低电平（LLRF）控制系统、束流实验线等也陆续就绪，为电子枪实验提供了基本保障。DC-SRF-I组装完成后，首先进行了SRF性能测试，CW模式最高加速梯度为14.5MV/m，脉冲模式（频率10Hz、占空比10%）加速梯度为17.5MV/m。经过一系列的调试和关键部件改进及运行条件优化后，DC-SRF-I于2014年实现脉冲模式的稳定载束运行，脉冲长度为7ms，重复频率为10Hz，单缝扫描法测得25pC时的归一化RMS（均方根）发射度为1.5mm-mrad。
第一代DC-SRF光阴极电子枪
基于DC-SRF-I的准连续束流，射频超导团队先后开展了波荡器超辐射、超快电子衍射等实验研究。其中，由DC-SRF-I电子枪、螺线管透镜和10周期波荡器组成的紧凑装置产生了中心频率在0.24~0.42THz可调的高重频太赫兹辐射。在国际上首次开展了MHz重频、MeV能量的超快电子衍射实验，实现了10ms级的衍射图样采样，体现了超导电子枪的优势。
2015年，射频超导团队建成2′9-cell超导直线加速器，并实现DC-SRF-I与直线加速器的联合运行。电子枪与直线加速器均运行在准连续模式，电子束的宏脉冲长度为1~7ms，重频5~10Hz，能量10~20MeV，宏脉冲内平均流强最大值约为1mA。这一束流也被用于太赫兹波荡器超辐射研究，获得了中心频率在0.8~1.3THz可调、宏脉冲内平均功率大于1W的太赫兹辐射输出。
第二代DC-SRF光阴极电子枪
2021年初DC-SRF-II组装完成，2021年5月，DC-SRF-II成功实现载束运行，在20pC束团电荷量、1MHz重频的运行模式下，归一化发射度优于0.5mm-mrad；后续又实现了CW运行，束团电荷量为80pC，重复频率为1MHz，这是国内电子直线加速器的首次CW运行。这些结果表明DC-SRF-II已可作为高重频CWX射线自由电子激光等装置的电子源。
针对激光离子加速器发展面临的能量转换效率和技术实现途径等关键难题，团体取得了系列重要突破，推动了激光离子加速器物理与技术的发展：首次提出和证实激光稳相光压加速方法，提升激光到离子的能量加速转化效率1个量级以上；发展了临界密度等离子体透镜技术，在亚毫米距离内获得580MeV碳离子能量加速记录，将金离子能量记录提升六倍至1.2GeV；提出强流离子束匹配均温动力学方法，建成世界上首台1%能散质子激光加速器装置，产生的超高流强束流已应用于核爆中子探测器校准、等离子体二维磁场诊断和超高剂量率FLASH肿瘤辐照研究，为核物理研究提供了新的研究手段。
光压稳相离子加速示意图
激光等离子体透镜
世界上首台1%能散激光质子加速器装置CLAPA(CompactLaserPlasmaAccelerator)
2020年，激光加速团队受北京大学委托，与广州市白云区人民政府共同建立了广东省新兴激光等离子体技术研究院。研究院将围绕飞秒激光技术、激光加速器技术和粒子束技术等方面展开应用研究与成果转化，同步促进与医学、生物、材料以及芯片等学科的交叉融合。2021年，陈佳洱先生的院士专家工作站成功落户于广东省新兴激光等离子体技术研究院。他将唯一的工作站设在了广东研究院，表达了共同推进激光质子放疗系统的研制和加快后续产业化进程的强烈愿望。
基于碳纳米管靶的X射线光源与其它大型光源的峰值亮度对比。SSRF、PetraIII、Spring8分别是正在运行的位于上海、德国、日本的大型同步辐射光源。
超薄液体薄膜靶系统（左）与液膜表面的干涉条纹（右）
北京大学的射频四极场（RFQ）加速器研究一直紧跟国际发展前沿，在国内首先开展了四杆型、四翼型、分离作用型、开窗型等多种腔型的研究，开发了一系列用于射频四极场加速器动力学设计软件、腔体测量平台等先进研发工具，做出了一系列有影响力的工作：
300keV(a)和1MeV(b)整体分离环RFQ加速腔及耦合RFQ-SFRFQ加速腔
北京大学中子照相装置
北京大学的2.45GHzECR离子源的研究始于1987年，目标是研制成出一款集强流、高稳定性、高可靠性，小发射度的紧凑型离子源。经过几十年的努力，团队研制成功了具有北大独立知识产权的全永磁、介质窗耦合、强水冷、无高压平台、小型化的强流、高束流密度、高稳定性的2.45GHzECR离子源，简称北大标准源（PKU-PMECRIS）。该离子源在50kV下已经成功地产生了130mA的H+,83mA的D+,10mA的H-，65mA的He+，70mA的O+，70mA的Ar+和84mA的N+离子，束流归一化均方根发射度均<0.2p×mm×mrad。在直流模式下，质子源成功地创造了连续运行294.6小时无任何打火或者束流中断的新记录，束流的稳定性好于1%，该纪录刷新了之前由CEA/Sacaly创造的103小时稳定运行的国际记录。在理论研究中，课题组给出了国际上首张关于氢气ECR放电的三相图。另外，课题组研制的团簇离子源产生了42mA的H2+离子束和20mA的H3+离子束，创造并保持着H2+和H3+的国际记录。
北京大学标准2.45GHzECR离子源的结构、参数与离子源照片
从2016年起，课题组开始了微型强流2.45GHzECR离子源的理论和实验研究，研制成功了一体化微型离子源。源体的放电室尺寸为40mm×f30mm，整个离子源（含源体、水冷45kV三电极引出系统，微波耦合等）的外围尺寸为f180mm×140mm，微波传输系统从传统的矩形波导换成了同轴线。氢气放电结果表明，该源在脉冲模式下可以产生64mA（1.8kW）氢混合束，在直流模式下产生了32.4mA(100W)，其在直流模式下微波功率效率远高于一般直流质子源的10mA/100W的结果。该源已经在小型中子源和半导体离子注入机中得到了很好的应用。
二维材料及器件在航天领域具有广阔的应用前景，利用载能离子调控二维材料及器件具有非常显著的优势，因此研究二维材料及器件的辐照损伤特性具有重要意义。
石墨烯异质纳米通道结构示意与石墨烯亚纳米孔扫描透射电子显微镜图像
近两年，团队开展了二维材料器件辐照效应的研究工作。通过原位辐照研究，发现石墨烯场效应晶体管（微米）在质子注量较小时（<1012cm-2）器件性能即会出现显著退化，在空气中经过1~3天性能即可恢复，但在真空中损伤不可恢复，这个结果表明以往在大气环境中的研究结论对航天环境下不适用。其次，我们也发现多层MoS2器件具有更强的抗辐照性能，相同退化条件下所需离子注量比单层器件高两个数量级，这也为设计抗辐照二维器件提供了依据。
近年来，团队开展了多种新型核能材料的辐照损伤效应研究及其设计制备，包括MAX相陶瓷、新型结构材料等。在国际上首次确定了辐照诱导其中晶格原子的微观迁移过程，阐明了辐照条件下MAX相材料相变的准确物理机制，推翻了此前国际上流行的相分解假说；全面系统地对十余种MAX相等材料的结构变化过程进行了定量化分析，揭示了不同结构因子及高熵效应影响材料抗辐照性能的机理，为研发具有更强抗辐照性能的多元陶瓷材料提供了重要的理论依据；首次将高熵效应引入多元陶瓷材料体系，并通过离子辐照揭示了其中的元素迁移机制，阐述了高熵效应引入的化学复杂性对高熵陶瓷材料抗辐照损伤性能的影响。在以上工作的基础上，成功构建了全面且有效的多元陶瓷材料辐照损伤性能评价标准及体系，解决了由于该类材料种类众多导致的研发及性能验证周期长的问题。
影响MAX相陶瓷材料结构及性能的三大因素（左），多元陶瓷材料辐照损伤性能评价标准及体系（右）
聚变堆环境中，氢氦协同效应严重威胁着聚变堆的结构完整性和安全性。然而当前国内外对于协同效应的研究还很初步，特别是对于H、He、空位之间的原初相互作用以及多束辐照模拟研究中极高损伤率的影响尚无探究。本团队依托国家自然科学基金重大项目及科技部重点研发计划项目，将基于2×1.7MV加速器的束线和靶室，自主研发一台60kV和一台100kV注入机，建设便捷精准的宽温域材料三束离子辐照平台。基于第一性原理计算，首次准确标定了Fe中He和H与空位作用的能量参数，以及空位团簇内H-He的协同作用能，为深入理解协同效应中空腔演化的机理提供了重要借鉴。同时，本团队通过系统的多离子束辐照实验，在国际上首次揭示了损伤率对协同肿胀效应的影响，并进一步详细探究了H、He的具体作用表现以及浓度对协同效应的影响，为建立模拟聚变中子辐照的等效实验与计算方法奠定了关键基础。
金刚石探测器对1.0~10MeV中子(a)和10~20MeV中子(b)的响应矩阵
基于Back_n白光中子源测量得到的6Li(n,t)反应的微分截面
人类的脑与行为受到基因、环境和文化及其相互作用的塑造，而近年来前沿医学影像技术方法飞速进步，推动多模态脑影像大数据集的产生和融合性探索，使得深入探究人脑宏观结构与功能连接组架构成为可能，也进一步推动对上述重要科学问题的探索。
中西方大尺度脑功能图谱对照结果
CHCP中国人脑连接组计划研究成果及其数据资源的公布不仅对于促进基于中国人医学影像的脑行为和脑图谱方面的科学研究具有宝贵意义，更重要的是填补了当前国际上缺少来自非西方群体（比如中国人群）对照的空白，为探索人类不同文化与族裔背景中的脑-行为关联起到了推动作用。
a.高性能小型化原子磁强计外观（左）及本底噪声（右）；b.磁屏蔽装置示意图及内剩余磁场测量结果；c.听觉诱发脑磁信号测量结果（左）及初级听觉皮层定位结果（右）
睡眠过程中小脑-大脑-皮层下脑区的功能连接变化规律
睡眠过程EEG-fMRI数据分析的自动化分析平台A-PASS
癫痫患者病理性高频震荡信号的检测和定位一站式分析系统
癫痫患者脑磁图发作间期棘波检测算法流程图
团队针对癌症转移的阻断和治疗，进一步组织了工程力量，在上述研究的基础上通过大量实践改进，成功开发了可规模化生产的低成本工程芯片样品。在与临床需求相匹配的大流速范围内，具有高捕获效率、高鲁棒性、无需对血液进行成分添加或稀释等优点，首次真正实现了体内全血中CTC的连续无添加高效分离，解决了通过动态去除癌症病人血液里CTC阻断/减缓癌症转移的关键技术难点。同时，基于规模化生产的工程芯片样品，候选者组织工程化团队通过借鉴目前临床成熟的血透析医疗装备，在实验室初步搭建了体内自动化CTC捕获分离系统，并首次在小动物上验证了CTC透析捕获对乳腺癌肺转移的阻断，结果显示转移受到显著抑制的有效率高达93%（14/15）。
团队开发的癌症疫苗及其示意图
高品质离子束，尤其是质子束和重离子束，在质子照相、癌症治疗、激光核物理和实验室天体物理等诸多方面有非常重要的应用。激光驱动离子加速相较于传统加速器，因其更高的加速梯度(提高3个量级以上)而受到广泛重视和研究。目前，理论与实验研究最多的加速机制主要是辐射压加速(RPA)和靶背垂直鞘场加速(TNSA)，前者可以得到单能性很好且能量很高的离子束，后者可以得到宽能谱且高通量的质子束。
2016年，在RPA加速机制的基础上，团队提出了“离化动态致稳”辐射压加速新方案，解决了辐射压加速中不稳定性导致加速被过早破坏的难题。利用高Z涂层的连续电离效应动态地给被加速薄靶补充电子，维持其不透明性，进而抑制不稳定性的发展，实现了稳定的辐射压加速。采用1022W/cm2的激光辐照带有Au涂层的Al靶，理论上可以获得3.8GeV、粒子数为1010(带电量大于20nC)的准单能Al13+离子束。该项工作发表于Phys.Rev.Lett.118,204802(2017)。
“离化动态致稳”辐射压加速新方案
2020年，团队进一步提出利用拍瓦飞秒强激光辐照微带靶获得单能高品质离子束的离子加速新方案。利用激光剥离微带靶电子而激发起的纵向表面等离子体波加速电子并在靶后建立纵向加速场和横向聚焦场，进而获得准单能离子束。采用强度为7.8×1020W/cm2、能量为50J的飞秒激光，理论上可得到能量超过100MeV，能谱展宽约为1%，粒子数目为109的单能质子束。该工作发表于Phys.Rev.X,11,041002(2021)。
强激光辐照微带靶离子加速新方案
2019-2021年，依托世界上唯一的同时具有纳秒、皮秒和飞秒激光脉冲的星光-Ⅲ装置，利用TNSA加速机制驱动高品质质子源，开展了各向异性热等离子体中自生磁场的三维同步质子照相系列研究。首次获得了低原子序数CH和高原子序数Cu等离子体自生磁场的三维结构实验数据，并且同时观察到了流体的Biermann和动理学的Weibel这两种最重要的宇宙种子磁场机制，揭示了库仑碰撞对磁场产生的重要影响。该技术入选国家“十三五”科技成果创新成就展，是“超强激光在高温高密度极端物质科学中的先进诊断技术”成果的主要内容之一，也是获得“国防科技工业突出贡献奖（团队奖）”的主要内容之一。
各向异性热等离子体自生磁场三维同步质子照相研究
近年来，等离子体物理专业林志宏老师课题组和徐学桥、王晓钢老师课题组分别在托卡马克芯部离子体的大规模动理学数值模拟和边界等离子体的磁流体数值模拟等方面取得系列重要进展。
林志宏老师组将机器学习方法结合到课题开发的回旋动理学程序，并利用实验上的诊断信息来实现对燃烧等离子体可能出现的不稳地模式（例如阿尔芬本征模）的预测（NuclearFusion,61,126061（2021））。
SGTC工作流程
托卡马克刮削层的热负荷问题是未来聚变堆面临的主要问题之一。徐学桥、王晓钢老师组通过课题组开发的BOUT++磁流体程序对刮削层内的输运问题开展了系列研究，发现湍流输运的引入可以显著增加刮削层的宽度，从而有效减低偏滤器的热流强度（李泽宇，博士论文（2019））。这一结果对未来聚变堆的运行设计有重要参考意义。
湍流输运“展宽”刮削
等离子体物理专业郭志彬课题组近年提出并发展了描述等离子体湍流自组织的过程的创新性理论方法：非线性相动力学理论，并在磁约束等离子体先进运行模式的产生机制(Phys.Rev.Lett.,114,145002(2015);Phys.Rev.Lett.,125,255003(2020))、带状流的自发形成等方面取得若干重要结果(Phys.Rev.Lett.,117,125002(2016))。
（a）相位状态决定约束状态（b）理论预测无破裂约束状态
磁场是磁约束等离子体的一个最基本的物理量，但对磁场的诊断测量一直是聚变研究的一个难点问题。肖池阶、王晓钢老师课题组与核技术及应用专业颜学庆、林晨课题组合作，提出了激光离子束轨迹探针（LITP）这一测量极向磁场和径向电场的新原理：基于激光加速的离子束相对静电加速具有大能散、大散角、短脉冲、多价态等特性，对磁场和电场进行高精度诊断（Rev.Sci.Instrum.87,11D610(2016);Rev.Sci.Instrum.89,10I103(2018);J.Instrum.13,C03034(2018)）。这一新方法有望实现对磁场和电场的高精度诊断测量。