Общая информация
В марте 2025 года Китайская академия наук сообщила о завершении строительных работ на одном из крупнейших научных объектов современности — Источнике фотонов высокой энергии (High Energy Photon Source, сокращённо HEPS). Объект расположен в районе Хуайжоу, примерно в 50 километрах к северу от Пекина. Ожидается, что установка начнёт функционировать в полном объёме к концу 2025 года. Проект реализуется Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук при государственной поддержке.
Назначение установки
HEPS — это современная научно-исследовательская установка, предназначенная для генерации сверхяркого рентгеновского излучения. По своему назначению она относится к категории так называемых синхротронных источников света четвёртого поколения. Это устройства, которые создают интенсивное электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне с высокой степенью яркости, когерентности и стабильности. Такие установки применяются для проведения передовых исследований в области материаловедения, физики, химии, биологии, медицины и инженерных наук.
Принцип работы HEPS
Установка работает на основе принципа синхротронного излучения. В основе её действия лежат следующие этапы:
- Разгон электронов:
Электроны (элементарные отрицательно заряженные частицы) разгоняются до околосветовой скорости в специальном ускорительном комплексе. В HEPS энергия электронов достигает 6 гигаэлектронвольт (ГэВ), что соответствует скорости, близкой к 99,999999% скорости света. - Движение по кольцу накопителя:
Разогнанные электроны направляются в накопительное кольцо длиной 1360,4 метра. Кольцо состоит из 48 секций, каждая из которых выполнена по схеме семибендового ахромата (7BA). Такая структура позволяет достичь сверхнизкой эмиттансии (пространственно-энергетической плотности пучка), что критически важно для получения стабильного и узконаправленного излучения. - Испускание рентгеновского излучения:
При прохождении через изогнутые участки магнитной структуры электроны отклоняются от своей траектории. При этом они теряют часть своей энергии в виде рентгеновских фотонов. Эти фотоны формируют рентгеновское излучение, направленное в специальные экспериментальные станции. - Использование рентгеновского пучка:
Излучение направляется на исследуемые объекты. Благодаря его высокой яркости и фокусировке можно изучать структуры веществ на уровне отдельных атомов и молекул. Возможна также визуализация динамических процессов в реальном времени с атомарным разрешением.
Технические характеристики HEPS
- Энергия электронов: 6 ГэВ.
- Эмиттансия: 34,2 пикометр-радиан — одна из самых низких среди аналогичных установок в мире.
- Число суперпериодов: 24.
- Число вставок для экспериментальных станций: более 90.
- Площадь установки: примерно 20 футбольных полей (более 150 000 квадратных метров).
- Яркость источника: в триллион раз превышает яркость солнечной поверхности по плотности фотонов.
Этапы строительства и текущий статус
- 2019 год: начало строительных работ.
- 2022–2024 годы: завершение основных инженерных объектов, установка ускорительного оборудования, монтаж магнитооптики и вакуумных систем.
- Январь 2025 года: достигнута рекордно низкая эмиттансия электронного пучка — 93 пикометр-радиан.
- Март 2025 года: начало фазы интеграционного тестирования — проверка работы всех компонентов в комплексе.
- Конец 2025 года (запланировано): ввод установки в эксплуатацию и начало научных исследований.
Сферы применения HEPS
1. Материаловедение
Установка позволит изучать микроструктуру материалов с точностью до атома. Это даст возможность проектировать новые металлические сплавы, полупроводники, композиты и наноматериалы. Например, можно будет создавать более прочные, лёгкие и термостойкие материалы для авиации, транспорта и энергетики.
2. Химическая инженерия
Благодаря высокой яркости излучения можно наблюдать за ходом химических реакций в реальном времени. Это критически важно для разработки эффективных катализаторов, а также для исследования процессов в электрохимических устройствах (например, в аккумуляторах и топливных элементах).
3. Биология и медицина
HEPS позволит анализировать пространственную структуру вирусов, белков, ДНК и других макромолекул с высоким разрешением. Это особенно важно для разработки новых лекарственных препаратов, в том числе против вирусных и онкологических заболеваний. Также возможны исследования биоматериалов и тканей для трансплантологии.
4. Физика конденсированных сред и фундаментальная наука
Исследователи смогут анализировать физические свойства веществ в различных агрегатных состояниях, включая сверхпроводимость, фазовые переходы, магнетизм, поведение при экстремальных давлениях и температурах. Это может способствовать развитию новых моделей материи и квантовых материалов.
5. Экология и геология
HEPS можно использовать для определения состава загрязнителей в воде, почве и атмосфере. В геологических исследованиях установка пригодится для анализа структуры минералов, в том числе редкоземельных элементов и урана.
Значение проекта в международном контексте
HEPS является на сегодняшний день наиболее мощным и ярким рентгеновским источником в мире. Он превосходит по характеристикам аналогичные объекты в Японии (SPring-8), Швейцарии (Swiss Light Source), Франции (ESRF), Германии (PETRA III) и США (Advanced Photon Source).
Проект имеет стратегическое значение для научной инфраструктуры Китая. Он усиливает позиции страны в глобальной научной кооперации и даёт возможность привлекать исследовательские коллективы со всего мира. После ввода HEPS в эксплуатацию Китай получит важный инструмент, который может стать основой для многих открытий в различных научных и прикладных областях.
Заключение
HEPS — это не просто рентгеновский источник, а многофункциональная высокотехнологичная платформа, предназначенная для фундаментальных и прикладных исследований. Его запуск позволит проводить эксперименты, которые ранее были технически невозможны или недостаточно точны. Проект представляет собой пример сочетания передовых технологий, масштабного государственного финансирования и амбиций Китая в области науки и инноваций. С момента запуска HEPS станет одной из важнейших научных установок XXI века.
Если нужна версия статьи для публикации в печатном СМИ, с возможностью форматирования под редакционные требования — могу адаптировать.