Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали и изготовили детектор рентгеновского излучения на основе кремниевого микрополоскового сенсора для синхротронной станции «Плазма» на накопителе ВЭПП-4. Станция предназначена для исследования структурных изменений материалов в результате воздействия на них импульсных тепловых нагрузок. В частности, так моделируется поведение вольфрама – металла, из которого будет сделана первая стенка термоядерного реактора ИТЭР. Благодаря использованию нового детектора в пять раз улучшилось разрешение изображений, получаемых в ходе экспериментов – это значительно упростит и ускорит процесс дальнейшей интерпретации результатов. Исследования проводятся совместно с Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ НЭТИ) при поддержке гранта РНФ № 19-19-00272.
Станция «Плазма» в бункере СИ ВЭПП-4 в центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» создавалась в рамках гранта РНФ № 14-50-00080 для исследования воздействия импульсных тепловых нагрузок на материалы. Эксперимент проводится в буквальном смысле в реальном времени: импульсную нагрузку имитирует лазер, который нагревает поверхность материала на 2000̊ С менее чем за 200 микросекунд, и в это же время материал просвечивается при помощи синхротронного излучения.
«Синхротронное излучение в нашем эксперименте используется исключительно для диагностики, оно не оказывает никакого влияния на образец, – рассказывает ученый секретарь ИЯФ СО РАН, доцент НГТУ НЭТИ, кандидат физико-математических наук Алексей Аракчеев. – Для исследований мы выбрали метод быстрой дифрактометрии, который дает наиболее интенсивный пучок и отлично подходит для изучения быстропротекающих процессов».
Изначально для экспериментов использовался детектор DIMEX (detector for imaging of explosions), разработанный специалистами ИЯФ СО РАН для исследований взрывных процессов, которыми занимаются ученые Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН. Характерный период работы такого детектора составляет 100-200 наносекнд между кадрами, он настроен на то, чтобы регистрировать большие потоки излучения и потому имеет относительно низкую чувствительность. Детекторы на базе DIMEX с лучшим временным разрешением планируется изготовить для экспериментальной станции «Быстропротекающие процессы» первой очереди центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»).
Алексей Аракчеев в процессе работы на экспериментальнной станции "Плазма" в бункере СИ ВЭПП-4 Светлана Ерыгина, НГУ«Для экспериментов по изучению воздействия импульсных нагрузок интервал между кадрами, которые делает детектор, должен составлять 10 микросекунд, но, поскольку в отличие от взрывных процессов, здесь идет работа не с прямым, а с отраженным пучком, имеющим значительно более низкую интенсивность, от него требуется очень высокая чувствительность, – рассказывает главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Лев Шехтман. – Мы разработали специальный детектор на основе кремниевой пластины, размером 5 см*3 см и толщиной 300 мкм, на которую нанесены специальные полоски-диоды с шагом 50 мкм. Он обладает однофотонной чувствительностью – то есть регистрирует практически каждый пролетающий фотон и по этому показателю превосходит предшественника в 10 раз».
Кроме того, пространственное разрешение этого детектора значительно выше, чем у газового детектора DIMEX, поскольку последний рассчитан на регистрацию фотонов существенно более низких энергий. Возрастание чувствительности напрямую влияет на качество изображения, получаемого в ходе эксперимента: его разрешение увеличивается в 5 раз. Это значительно упрощает и ускоряет процесс дальнейшей интерпретации результатов.
Станция «Плазма», которая предназначена для фундаментальных исследований воздействия импульсных нагрузок на материал, получила такое название, потому что под импульсными нагрузками сейчас понимается, прежде всего, воздействие потоков плазмы на материал первой стенки термоядерного реактора ИТЭР, запуск которого намечен на 2025 год.
«По совокупности качеств, главное из которых – высокая температура плавления (3422°С) и устойчивость к радиационным нагрузкам, таким материалом был выбран вольфрам, - поясняет Алексей Аракчеев. - Проблема в том, что он очень хрупкий. Металлы, которые обычно используются «в жизни» могут деформироваться, чтобы уменьшать напряжения, а вольфрам просто трескается. На станции «Плазма» мы при помощи рентгеновского рассеяния исследуем структурные, «внутренние» изменения вольфрама в результате аналогичных импульсов, моделируемых при помощи лазера. Цель наших исследований – определить допустимый предел таких нагрузок. Кроме того, у нас есть специальный экспериментальный стенд BETA на ускорительном комплексе ГОЛ-3, где также в реальном времени проводятся оптические исследования повреждений поверхности металла. Эксперименты на этих двух установках дополняют друг друга и помогают нам лучше понять механизм процесса».
Необходимо отметить, что для более качественного исследования плазменного воздействия на материалы также планируется создание специальной экспериментальной станции в рамках первой очереди ЦКП «СКИФ».
Проект ЦКП «СКИФ» в Новосибирске реализуется в соответствии с Поручением президента РФ от 18.04.2018 (пр-656 п.1б) и на основании Указа Президента РФ от 25.07.2019 №356 и является флагманом программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0». ЦКП «СКИФ» – это центр коллективного пользования, который будет включать в себя не только ускорительный комплекс, но и развитую пользовательскую инфраструктуру: экспериментальные станции и лабораторный комплекс. Создание источника СИ планируется завершить в 2023 году, что позволит начать проведение научных исследований уже 2024 году. Ориентировочная стоимость проекта оценивается в 37,1 млрд. руб.