Российские физики создали уникальный стенд для изучения радиационного старения кремниевых фотоумножителей и других ключевых элементов детекторов, используемых в коллайдерах. Это позволит улучшить характеристики детекторов и продлить срок службы их элементов в условиях сильного радиационного воздействия.
Элементы ускорителей частиц и приборов на космических станциях подвергаются сильному радиационному воздействию, которое со временем разрушает их, или, как говорят специалисты, «стареет». Чтобы понять, как материалы изменяются под этим влиянием и сколько они могут работать в таких условиях, проводятся тесты на радиационное старение. В 2025 году в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) создали стенд на базе установки VITA – ускорительного источника нейтронов, используемого для развития бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). В 2022 году на этом стенде успешно исследовали оборудование детектора CMS Большого адронного коллайдера (LHC, CERN) и материалы первой стенки термоядерного реактора ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor).
В 2026 году ИЯФ СО РАН и Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) планируют совместно развивать инфраструктуру и методическую базу для исследований радиационного старения кремниевых фотоумножителей (SiPM). Эти устройства чувствительны к фотонам и широко используются в детекторах для физики элементарных частиц. Договор о сотрудничестве уже находится на стадии подписания.
Почему это важно?
Коллайдеры – ключевые установки в физике элементарных частиц. В них сталкиваются пучки ускоренных частиц, что приводит к высвобождению энергии и образованию новых частиц. Во время этих столкновений возникает сильный радиационный фон, который разрушает элементы детекторов.
Основной вклад в радиационную нагрузку на коллайдеры вносят быстрые нейтроны с энергией 10-20 МэВ, которые разрушают кристаллическую решетку кремния в SiPM. Это приводит к изменению характеристик фотоумножителей, ухудшению их функциональности и выходу из строя.
Как это работает?
В 2022 году специалисты ИЯФ СО РАН облучали оптоволокно для детектора CMS, а также пластины карбида бора для ИТЭР на установке VITA. Это позволило протестировать материалы в экстремальных условиях.
В 2023 году, после прекращения сотрудничества с CMS, ИЯФ СО РАН начал разработку стенда для исследования радиационного старения SiPM на базе установки VITA. В 2024 году был создан первый прототип стенда, который успешно прошел испытания.
В 2025 году ученые разработали рабочую версию стенда и провели радиационные тесты с японскими SiPM. Они исследовали зависимость шума, напряжения пробоя и фоточувствительности от дозы радиации. Эти исследования показали эффективность стенда для изучения радиационного старения SiPM.
Перспективы
Стенд ИЯФ СО РАН позволяет непрерывно мониторить состояние SiPM во время облучения. Это уникальная возможность, которой нет больше нигде в мире.
Сотрудничество с ФИАН по развитию методики радиационных тестов и исследованию SiPM в экстремальных условиях имеет большое значение. Это может привести к созданию радиационно-стойких фотоумножителей, что важно для коллайдеров, космических исследований и мониторинга радиационных загрязнений.
Сергей Виноградов, кандидат физико-математических наук из ФИАН, отметил: «Стенд радиационных исследований ИЯФ СО РАН позволит нам продвинуться на пути разработки новых конструкций SiPM. Это важно для всех применений этих устройств в коллайдерах, космосе и других областях».