Российские ученые разработали два вида устройств для измерения длины пучка электронов в ускорительном комплексе Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ). Об этом сообщили в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ) Сибирского отделения Российской академии наук.
Вместе с сотрудниками ИЯФ над разработкой трудились специалисты Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л. Духова и Института общей физики им. А.М. Прохорова.
Эти бесконтактные оптические датчики способны измерять продольный размер пучка с высоким временным разрешением (от 1 до 10 пикосекунд). Они станут частью диагностического комплекса СКИФ и помогут своевременно выявлять отклонения пучка от проектных параметров.
Что такое СКИФ
Комплекс СКИФ строится в наукограде Кольцово в Новосибирской области. Завершение строительства запланировано на конец 2025 года. Центр будет состоять из линейного ускорителя частиц, синхротрона и 30 испытательных станций. При помощи СКИФ планируется изучать структуру различных органических и неорганических веществ с применением в биологии, археологии, материаловедении, медицине.
Электронный пучок, разогнанный до релятивистских скоростей, будет попадать в накопитель — синхротрон. По каналам вывода синхротронное излучение будет направляться на пользовательские станции, где специалисты будут использовать его для исследования, например, структуры белков, составов вещества, химических реакций.
Благодаря беспрецедентно малому эмиттансу (размеру и разбросу) пучка электронов (порядка 75 пикометров радиан), синхротрон СКИФ относится к установкам последнего поколения, или 4+.
В чем проблема
Кроме эмиттанса у электронного сгустка (компонента электронного пучка) есть и другие параметры, например, важны поперечный и продольный размеры. Поперечные измерять довольно легко, а вот продольные гораздо сложнее.
В каком-то смысле пучок частиц, летающий по кольцу, похож на гирлянду, где каждая лампочка — сгусток длиной всего несколько миллиметров.
Для измерения длины пучка электронов в большинстве циклических ускорителей используются бесконтактные оптические датчики. Принцип работы этих устройств не подразумевает взаимодействия с пучком, а значит, процесс измерения происходит без потерь частиц и может проходить в непрерывном режиме во время эксплуатации.
Такими датчиками являются стрик-камеры и диссекторы. По конструкции и принципу действия они похожи; разница в том, что первые используются непосредственно во время эксперимента и потом отключаются, а вторые работают в непрерывном режиме десятилетиями.
Как эта проблема решена
Диссекторы как приборы наблюдения за распределением заряда пучка частиц в циклических ускорителях давно применяются в ИЯФ. Родоначальником этого способа наблюдений в институте был Эдуард Зинин — он проектировал и конструировал подобные устройства.
Однако прогресс не стоит на месте, поэтому параметры советских установок перестали отвечать требованиям современной науки и техники. У оборудования предыдущих поколений временное разрешение составляло 25−35 пиктосекунд, чего теперь недостаточно.
Поэтому под руководством заведующего сектором ИЯФ, доктора физико-математических наук Олега Мешкова началась разработка следующего поколения регистратора на основе ЭОП ПИФ-01. С этим устройством удалось получить временное разрешение прибора в 1 пс. Сегодня создается уже третье поколение регистратора — он стал еще более надежным и технологичным.
«Только представьте, каков масштаб события: если пучок движется практически со скоростью света, то за 10 пикосекунд он пролетает 3 миллиметра, а третье поколение установок уже позволяет нам измерять пучок в промежутке 0,5 миллиметра — это же фантастика», — отметил Дорохов.
Для синхротрона СКИФ и других проектов ИЯФ диссекторы и стрик-камеры нового поколения изготавливают специалисты ВНИИА им. Н.Л. Духова.
Всего в СКИФ будут работать три стрик-камеры и два диссектора. Три стрик-камеры готовы, одна уже работает. Диссекторы будут последовательно вводиться в строй одновременно с появлением пучка на установках СКИФ.
Ранее Наука Mail рассказывала, что ученые сконструировали компактную взрывную пушку, которая будет использоваться для испытания материалов на базе СКИФ.