Российские учёные создали высокоскоростной прибор для измерения длины сгустка частиц в ускорителях

Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) при поддержке гранта РНФ разработали новое поколение высокоскоростных электронно-оптических приборов для диагностики пучков в ускорителях заряженных частиц – диссектор на основе стрик-камеры. Это устройство позволяет наблюдать за длиной сгустка в режиме реального времени. Изготовленные приборы уже используются для тонкой настройки ускорительных комплексов, а также для изучения динамики релятивистских пучков. Результаты работы опубликованы в издании Journal of Instrumentation.

Канал вывода излучения на диссектор из поворотного магнита накопителя-охладителя инжекционного комплекса ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН

«Современный ускоритель, – объясняет доктор физико-математических наук, заведующий научно-исследовательским сектором ИЯФ СО РАН Олег Игоревич Мешков, – очень сложное устройство, и чтобы получить и сохранить в нем пучок элементарных частиц, необходимо непрерывно контролировать массу параметров. Немаловажная характеристика пучка – это его геометрические размеры. Поперечные размеры пучка частиц на большинстве ускорителей в мире непрерывно измеряются с хорошей точностью, продольный же размер контролировать не так-то просто, потому что пучок частиц с длиной от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров движется практически со скоростью света. Соответственно, длительность вспышки света, сопровождающей движение пучка в поворотном магните ускорителя, может составлять от единиц до десятков пикосекунд (10-12 с)».

Специалисты ИОФ РАН более полувека создают стрик-камеры – это электронно-оптические высокоскоростные фоторегистраторы, с помощью которых исследуют параметры изучаемого быстропротекающего процесса (БПП). Стрик-камеры ИОФ РАН имеют временное разрешение масштаба единиц пикосекунд, но они, как правило, используются для регистрации однократных процессов.

Проблема в том, что современные ускорители элементарных частиц работают круглосуточно, и параметры пучка должны измеряться на них непрерывно. Для надежного контроля параметров длины сгустка требуется временное разрешение в 1-3 пикосекунды. Поэтому ученые ИЯФ СО РАН и ИОФ РАН создали диссектор, предназначенный для измерения периодических процессов с временным разрешением до единиц пикосекунд. Стрик-камера формирует изображение БПП, а специальная система считывает его и преобразует в электрический импульс, регистрируемый осциллографом.

Созданные диссекторы нового поколения уже установлены на накопителе-охладителе Инжекционного комплекса ВЭПП-5 ИЯФ СО РАН, в дальнейшем его предполагают использовать на Новосибирском лазере на свободных электронах в ИЯФ СО РАН, есть предварительные соглашения о сотрудничестве с зарубежными коллегами.

В будущем, не исключают ученые, возможно оснащение таким оборудованием многих крупных ускорителей и источников синхротронного излучения во всем мире. «Отдел фотоэлектроники ИОФ РАН в состоянии обеспечить выпуск экспериментальных образцов пикосекундных диссекторных комплексов», – отметил доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом ИОФ РАН Михаил Яковлевич Щелев.

Ожидается, что совместная разработка ИЯФ СО РАН и ИОФ РАН вызовет большой интерес не только у сообщества физики высоких энергий и ускорителей, но также специалистов, которые работают с периодическими процессами на источниках СИ и при исследованиях в оптическом диапазоне. Этот прибор и разработанные методики измерений могут также быть интересными ученым из области физики твердого тела, биофизики, медицины.

Отечественной науке принадлежит приоритет в разработке электронно-оптических диссекторов. Созданный в 1970 годах в новосибирском Институте ядерной физики диссектор имел временное разрешение порядка 25 пикосекунд.

ИОФ РАН сегодня – единственное место в России, где возможно изготовить прибор для диагностики длины сгустка, соответствующий требованиям современных ускорителей. Здесь имеется необходимая уникальная технологическая база – сварка металла со стеклом, прецизионная сварка, формирование фотокатода, а также измерительные стенды с современными пико- и фемтсекундными лазерами.

Справка об ИОФ РАН

В конце 40-х годов прошлого столетия физики-ядерщики сосредоточили свои усилия на решении атомной проблемы. Для регистрации изображений БПП была привлечена оптико-механическая высокоскоростная фотография. Однако физический предел ее временного разрешения ограничивался единицами наносекунд (10-9 с). В Курчатовском институте в научном коллективе академика Е.К. Завойского при участии профессора М.М. Бутслова и его исследовательско-технологического участка в отраслевом институте, впервые в мире были созданы времяанализирующие ЭОП типа ПИМ-УМИ, обеспечивающие в прямом эксперименте регистрацию оптических изображений БПП с временным разрешением лучше 10 пикосекунд (10-11 с).

С середины 60-х годов научные коллективы, возглавляемые нобелевскими лауреатами Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым, организовали в ФИАН широкомасштабное применение ЭОП в лазерной физике.

В 1989г. в ИОФ РАН академик А.М. Прохоров создал Отдел фотоэлектроники, куда пригласил ведущих специалистов – технологов из Всесоюзного научно исследователького института оптико-физических измерений и других отраслевых НИИ. По сей день в ИОФ РАН успешно функционирует исследовательско-технологическая цепочка по математическому моделированию, конструированию, технологическому сопровождению, изготовлению и испытанию на пико-фемтосекундных лазерных стендах экспериментальных образцов ЭОП, фотоэлектронных пушек, электронно-оптических камер и дифрактометров.

В 2013г. на Международной конференции ICONO-LAT в Москве, где академик Г.Н. Кулипанов выступал с пленарным докладом, а профессор М.Я. Щелев руководил секцией по сверхскоростной диагностике в лазерной физике, были установлены рабочие контакты между ИЯФ СО РАН и ИОФ РАН, и было принято решение о проведении совместных научно-исследовательских работ с целью создания электронно-оптических комплексов на основе пикосекундных диссекторов, предназначенных для диагностики синхротронного излучения.