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

21 сентября 2016

Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и Института общей физики им. А.М. Прохорова 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.

«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.