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.
«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.
Фотографии:
1 – Канал вывода
излучения на диссектор из поворотного магнита накопителя-охладителя
инжекционного комплекса ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН.
2 – Диссектор и
аппаратура регистрации в радиационно-защищенном помещении инжекционного
комплекса ВЭПП-5 в ИЯФ СО РАН.