На полуострове Жэньпин в городе Хуэйчжоу провинции Гуандун возвышаются несколько красных зданий, два из которых особенно примечательны: одно имеет форму скруглённого треугольника, другое напоминает гигантскую беговую дорожку стадиона. На глубине 13 метров под землёй скрывается туннель длиной два километра. Здесь размещено крупное государственное научно-техническое сооружение — Установка для исследования тяжёлых ионов с высокой интенсивностью пучка (HIAF).
21 июля HIAF успешно прошла приёмочные испытания. Экспертная комиссия единогласно признала, что комплексные характеристики HIAF достигли ведущего уровня среди аналогичных установок в мире, что ознаменовало скачкообразное развитие китайских установок для исследования тяжёлых ионов с высокой интенсивностью пучка. На этом все строительные работы по проекту были завершены, установка официально вступила в стадию пробной эксплуатации и открыла свои двери для научных исследований.
«HIAF — это первая в мире передовая установка для исследования тяжёлых ионов, объединяющая сверхпроводящий линейный ускоритель, синхротрон и накопительное кольцо», — рассказывает Ян Цзяньчэн, заместитель директора Института современной физики Китайской академии наук и главный инженер проекта HIAF. Установка обеспечивает самый высокий в мире импульсный пучок тяжёлых ионов по интенсивности, оснащена кольцевым спектрометром для определения масс с наивысшей точностью и предоставляет первоклассную исследовательскую платформу для передовых исследований в области ядерной физики и важных применений тяжёлых ионов.
Инновационное предложение новой схемы «размазывания» в шестимерном фазовом пространстве
Что же такое HIAF? Ян Цзяньчэн привёл сравнение: это одновременно и «сверхмикроскоп», и «ионная пушка».
Проще говоря, ускоритель тяжёлых ионов — это устройство, которое искусственным способом создаёт высокоскоростные пучки ионов, заставляя их точно бомбардировать мишень, выбивая множество частиц-осколков. Учёные затем анализируют эти осколки, что позволяет слой за слоем раскрывать микроструктуру вещества.
Ещё в 1980-х годах Китай построил свой первый крупный ускоритель тяжёлых ионов — Ланьчжоуский ускоритель тяжёлых ионов. Зачем же понадобилось строить HIAF? Ян Цзяньчэн с улыбкой говорит: «По мере того как научные исследования всё глубже проникают в микромир и продвигаются к экстремальным условиям, создание высокопроизводительного ускорителя тяжёлых ионов с высокой интенсивностью пучка стало насущной потребностью для развития передовых направлений ядерной физики».
Институт современной физики Китайской академии наук предложил концепцию HIAF в 2009 году. В декабре 2018 года строительство HIAF официально началось в Хуэйчжоу, а в октябре 2025 года был впервые успешно получен пучок.
Отправная точка всей установки скрыта на глубине 13 метров под землёй, где находится сверхпроводящий ионный источник. Его задача — удалить часть электронов из атомов, превратив их в заряженные ионы, и сообщить им начальную энергию.
Ключевым показателем ускорителей нового поколения является «высокая интенсивность пучка». Как заставить ионный источник производить более интенсивные пучки — это также центральная точка международных исследований в данной области. «Это наш собственный, первый в мире сверхпроводящий ионный источник на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР) четвёртого поколения», — рассказывает корреспонденту Шэнь Годун, руководитель отдела общей компоновки ускорителя в Центре ускорительных технологий, указывая на белую машину. «Команда повысила частоту микроволн до 45 гигагерц, установив мировой рекорд по интенсивности пучка для ЭЦР-источников».
Этот ионный источник работает в импульсном режиме, который благодаря точному управлению временными параметрами позволяет выводить ионный пучок в оптимальных условиях мгновенно. «Этот процесс подобен точной регулировке дроссельной заслонки и момента зажигания двигателя, позволяя ионному пучку достичь оптимального рабочего состояния в момент „старта"», — говорит Шэнь Годун.
Инновации на этом далеко не заканчиваются. Чтобы накопить огромное количество частиц до сверхвысокой интенсивности пучка, необходимо также поддерживать их упорядоченность — это мировая проблема, в решении которой за последние 20 с лишним лет не было значительных прорывов. Предложенный командой новый метод «размазывания в шестимерном фазовом пространстве + накопление с независимыми часами» не только расширяет метод инжекции, ранее ограниченный двумерным пространством, до шести измерений, но и преодолевает ограничение по соотношению длин окружностей.
«Это похоже на то, как если бы мы сначала выстроили миллиарды „ионных пуль" в строевом порядке, равномерно распределив их в фазовом пространстве, а затем с помощью независимых часов точно управляли ионами, инжектируя их в основной ускоритель партиями и в шахматном порядке», — образно объясняет Ян Цзяньчэн. «Это позволяет достичь синхронизации на миллисекундном уровне без помех и в конечном итоге накопить высокоинтенсивный, высококачественный ионный пучок, необходимый для экспериментов».
Именно этот прорыв позволил увеличить коэффициент накопления интенсивности пучка HIAF в 10 раз по сравнению с лучшими мировыми показателями и снизить потери пучка на порядок.
Обновлён мировой рекорд по импульсной интенсивности пучка тяжёлых ионов
«Основное оборудование HIAF полностью произведено в Китае», — с гордостью заявляет Ян Цзяньчэн. «Мы построили ускоритель тяжёлых ионов с самой высокой в мире импульсной интенсивностью пучка!»
Эта уверенность основана на шестнадцатилетней настойчивости команды и упорстве в решении сложнейших задач.
Чтобы пучок тяжёлых ионов двигался беспрепятственно, команде прежде всего нужно было проложить «скоростную магистраль» — вакуумную камеру. «Тяжёлые ионы совершают сотни тысяч оборотов в секунду. В этой интенсивной среде недопустима ни одна пылинка, иначе пучок столкнётся с молекулами газа и „потерпит крушение"», — раскрывает секрет Цзяо Цзицян, инженер отдела вакуумных технологий Центра ускорительных технологий: международная новинка — сверхвысоковакуумная камера с ультратонкими стенками и внутренним каркасом.
Обшивка этой вакуумной камеры тонкая, как крыло цикады, — всего 0,3 миллиметра, что эквивалентно толщине трёх листов бумаги формата A4; изнутри её поддерживает каркас из титанового сплава, напечатанный на 3D-принтере, толщиной всего 4 миллиметра. Степень вакуума внутри выше, чем на поверхности Луны. Кроме того, эта конструкция не только прочная и создаёт малые вихревые токи, но и значительно снижает стоимость строительства.
Нужно не только быстро бежать, но и бежать устойчиво. В системе электропитания HIAF импульсный источник питания дипольных магнитов бустера играет роль «точного рулевого» для движения пучка. Команда разработала первый в мире нерезонансный быстрый цикличный импульсный источник питания с предварительным возбуждением и полным накоплением энергии, решив проблему быстрого изменения тока и высокоточного управления при импульсной работе источника питания.
Этот источник питания обеспечивает самую высокую в мире скорость нарастания тока — 38 000 ампер в секунду, при этом ошибка слежения составляет менее 0,2 ампера. «Это всё равно что на скоростной трассе от Пекина до Шанхая суперкар, движущийся со скоростью около 140 000 километров в час, отклонялся бы от своей полосы движения на расстояние не более 20 сантиметров на всём протяжении пути», — говорит Ван Сяоцзюнь, заместитель начальника отдела технологий электропитания Центра ускорительных технологий.
Для непрерывного «бега» пучка требуется постоянная подача энергии. Ускорение пучка тяжёлых ионов до высоких энергий невозможно без «сверхмощного двигателя» пучка — высокочастотной системы. Однако ключевой компонент этой системы — «крупногабаритное кольцо из магнитного сплава с масляным охлаждением» — когда-то был предметом строгого запрета на экспорт и технологической блокады со стороны зарубежных стран.
«Когда официально началось строительство установки, этот компонент ещё не был разработан, и все испытывали огромное давление», — вспоминает Цун Янь, руководитель отдела высокочастотных технологий Центра ускорительных технологий. Сотрудничество с несколькими отечественными производителями шло медленно, образцы не могли удовлетворить требованиям. Команда провела множество экспериментов, начиная с исходных материалов, и в конечном итоге успешно разработала отечественное высокопроизводительное кольцо из магнитного сплава, ключевые характеристики которого превосходят зарубежные аналоги более чем на 60%.
Благодаря полной цепочке независимых инноваций, HIAF достигла сквозного пробега пучка по всей 2-километровой линии за 16 часов, установив новый мировой рекорд по скорости настройки пучка среди аналогичных установок. Типичная интенсивность пучка ионов кислорода и ионов висмута на HIAF обновила мировые рекорды, превысив прежние лучшие мировые показатели в 3 и 7,5 раза соответственно. Многие эксперименты, на накопление данных для которых раньше требовались месяцы или даже годы, в будущем могут быть завершены за несколько дней или даже часов.
Возможен синтез новых элементов, принадлежащих китайцам
Общая длина линии пучка HIAF составляет 2 километра, на ней установлено 6000 единиц крупного оборудования, более 5 миллионов компонентов и 1,5 миллиона метров технологических трубопроводов. Для таких масштабных и сложных научных установок на международном уровне обычно требуется от двух до трёх лет на монтаж, однако команда HIAF создала платформу цифровых двойников для всей системы и сократила срок строительства до 8 месяцев. В настоящее время эта технология уже распространена на строительство таких крупных научных объектов, как Hefei Advanced Light Source и установка Advanced Attosecond Laser Facility.
Будучи первой в мире крупной ускорительной установкой типа «сверхпроводящий линейный ускоритель + быстрый цикличный синхротрон + каскадные накопительные кольца», уникальная «тройная» конфигурация HIAF обеспечивает два ключевых преимущества: во-первых, полный спектр ионов, что позволяет удовлетворять исследовательские потребности в различных научных областях; во-вторых, сверхвысокую интенсивность пучка, что означает возможность получения более богатых экспериментальных данных и образования большего количества новых нуклидов, которые ранее было трудно получить, помогая учёным открывать новые физические явления.
Ян Цзяньчэн с воодушевлением говорит: «С этой крупной научной установкой китайские учёные имеют возможность синтезировать новые элементы, принадлежащие китайцам, и водрузить пятизвёздочный красный флаг на периодическую таблицу элементов». В настоящее время периодическая таблица содержит 118 элементов, и седьмой период полностью заполнен. США, Россия, Германия, Япония и другие страны успешно синтезировали 15 новых элементов, назвав их в честь своих стран или географических мест. Исследование синтеза новых элементов 119 и 120 является одной из важных научных целей HIAF.
Помимо изучения пределов существования атомных ядер, после ввода в эксплуатацию установка также будет сосредоточена на раскрытии ядерных астрофизических процессов, содействии развитию ядерной энергетики и мультидисциплинарным применениям. Например, HIAF может использоваться для испытаний радиационной стойкости космических аппаратов, содействовать разработке ядерной энергетики и функциональных материалов, а также играть огромную роль в повседневной жизни, например, в развитии исследований по лечению рака тяжёлыми ионами и производству медицинских изотопных препаратов, применении в селекции сельскохозяйственных культур, консервации продуктов питания и т.д. В настоящее время устройство для лучевой терапии тяжёлыми ионами нового поколения, созданное на основе передовых технологий HIAF, уже внедрено в Народной больнице центра города Хуэйчжоу.
Стоит отметить, что команда также оставила задел на будущее. «Длина туннеля сверхпроводящего линейного ускорителя составляет почти 400 метров, в настоящее время установлено более 100 метров, а остальные более 200 метров специально зарезервированы для последующих модернизаций и обновлений», — говорит Шэнь Годун. Такое перспективное проектирование позволяет крупной научной установке спокойно адаптироваться к постоянно меняющимся научным потребностям в будущем.
«От нуля до единицы, от догоняющего до лидера, мы вписали китайское решение в мировую научно-техническую карту и создали „государственное достояние", ведущее передовые направления ядерной физики и важные применения», — заявляет Ян Цзяньчэн. На новом этапе мы с нетерпением ожидаем возможности предоставить пользователям высокопроизводительные и высококачественные пучки и способствовать получению значимых результатов.