В Китае завершили строительство мощнейшего ускорителя тяжёлых ионов

В Китае завершено строительство крупного научно-технологического комплекса High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility (HIAF), предназначенного для проведения исследований в области физики тяжёлых ионов и ядерной физики. 21 июля объект прошёл технологическую приёмку и начал работу в режиме испытательной эксплуатации.

Комплекс расположен в городе Хуэйчжоу китайской провинции Гуандун на юге страны. HIAF представляет собой многофункциональный ускорительный комплекс с передовыми параметрами пучков тяжёлых ионов, разработанный Институтом современной физики Китайской академии наук.

Ускорители тяжёлых ионов часто называют своеобразными «сверхмикроскопами», поскольку они позволяют изучать фундаментальные взаимодействия, структуру материи и процессы, связанные с эволюцией Вселенной. Развитие таких установок помогает не только расширять знания о фундаментальных законах природы, но и создавать технологии для медицины, материаловедения и других областей.

По мере того как учёные исследуют всё более малые масштабы и экстремальные состояния вещества, возрастает необходимость в ускорителях, способных создавать пучки частиц с высокой интенсивностью и энергией. Проект HIAF был предложен Институтом современной физики в 2009 году, а строительство началось в декабре 2018 года.

После семи лет строительства комплекс завершил первые комплексные испытания ускорительной системы в октябре 2025 года. Теперь установка официально переходит к испытательной эксплуатации.

HIAF занимает площадь около 32 гектаров, а общая длина его ускорительной трассы составляет примерно 2 километра. Основные элементы комплекса расположены на глубине около 13 метров под землёй.

Установка стала первым в мире передовым исследовательским комплексом для тяжёлых ионов, объединившим сверхпроводящий линейный ускоритель с синхротроном с быстрым изменением параметров. HIAF предназначен для создания импульсных пучков тяжёлых ионов с чрезвычайно высокой интенсивностью и энергиями от МэВ на нуклон до ГэВ на нуклон.

«Высокая интенсивность является ключевым показателем ускорителей ионов нового поколения. Она означает значительное увеличение числа ионов, ускоряемых в каждом импульсе», — заявил заместитель директора Института современной физики и главный инженер проекта HIAF Ян Цзяньчэн.

По его словам, достижение сверхвысокой интенсивности связано с серьёзными техническими трудностями, а разработка ключевых технологий для комплекса продолжалась более десяти лет.

Среди инноваций HIAF — сверхбыстрые источники питания, способные изменять ток на тысячи ампер всего за 100 миллисекунд. Это соответствует скорости изменения магнитного поля до 12 тесла в секунду.

Комплекс также оснащён высокоточной радиочастотной системой, создающей электрическое поле напряжённостью около 35 киловольт на метр. Внутри ускорительной системы поддерживается сверхчистая среда благодаря тонкостенной камере с облицовкой из титанового сплава толщиной всего 0,3 миллиметра.

Давление внутри системы достигает 10⁻¹² миллибар, что сопоставимо с уровнем вакуума на Луне.

Благодаря этим технологиям HIAF уже продемонстрировал характеристики, превышающие первоначальные проектные параметры. Интенсивность пучка ионов кислорода достигла 2,5 × 10¹¹ частиц на импульс, а для ионов висмута — 3,2 × 10¹⁰ частиц на импульс. Эти показатели стали мировыми рекордами среди сопоставимых ускорительных комплексов.

Максимальная энергия пучка ионов кислорода достигла 4,25 ГэВ.

HIAF относится к числу немногих ускорителей в мире, способных работать с широким диапазоном химических элементов — от водорода до урана. Комплекс также позволяет получать тысячи разновидностей нестабильных атомных ядер.

Основными направлениями исследований станут изучение границ существования атомных ядер, процессов ядерной астрофизики и междисциплинарных применений тяжёлых ионов.

Для проведения экспериментов HIAF оснащён шестью научными установками, среди которых спектрометрическое кольцо, газонаполненный ахроматический соленоидный спектрометр отдачи и линия радиоактивных ионных пучков высокой жёсткости.

Во время первых экспериментов исследователи смогли определить массу короткоживущего нуклида золота-202 с точностью, в два раза превышающей предыдущий мировой рекорд. Кроме того, учёные обнаружили два новых изотопа.

Эти результаты продемонстрировали сочетание трёх ключевых возможностей HIAF — высокой интенсивности пучков, высокой энергии и высокой точности измерений.

В будущем комплекс должен стать международной научной инфраструктурой, доступной для исследователей из университетов, научных институтов и промышленных организаций со всего мира. Учёные смогут использовать HIAF для экспериментов в области ядерной физики, ядерной астрофизики и физики атомов.

Помимо фундаментальной науки, ускоритель будет применяться для разработки технологий на основе тяжёлых ионов в медицине, материаловедении и биологических исследованиях.