Учёные ТГУ и ИЯФ СО РАН собрали первый детектор для синхротрона СКИФ

Строительство Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») под Новосибирском — один из самых масштабных проектов в российской науке за последние десятилетия. Учёные Томского государственного университета и ИЯФ СО РАН собрали и протестировали для СКИФа первый координатный детектор на полупроводниках — GINTOS, способный выдерживать очень высокие потоки энергии. Им оснастят исследовательскую станцию для изучения быстропротекающих процессов. Планируется, что первый в мире источник синхротронного излучения поколения 4+ будет введён в эксплуатацию в 2025 году.

«Детектор GINTOS позволит исследовать реакцию материалов на импульсные тепловые и механические нагрузки, — поясняет главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, ведущий научный сотрудник лаборатории детекторов синхротронного излучения ТГУ, руководитель проекта по созданию новых детекторов Лев Шехтман. — Это необходимо для понимания процессов, которые будут происходить, например, в строящемся термоядерном реакторе ITER при попадании раскаленной плазмы на вольфрамовую стенку. Вместе с тем детектор позволит исследовать распространение ударных волн и других динамических процессов в микросекундном диапазоне».

Для решения подобных задач нужны быстродействующие сенсоры и быстродействующая специализированная электроника. В рамках проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ, радиофизики Томского госуниверситета разработали сенсоры на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Эти сенсоры будут производить съёмку со скоростью до 10 миллионов кадров в секунду. Электроника была разработана специалистами ИЯФ СО РАН.

«Полупроводниковые сенсоры преобразуют фотонный сигнал в электрический, а электроника регистрирует этот сигнал и передает изображение в компьютер, — объясняет руководитель команды разработчиков, заведующий лабораторией детекторов синхротронного излучения ТГУ, профессор Олег Толбанов. — Количество кадров очень велико, поэтому результат съемки — это не отдельные изображения, а фильм».

Как отмечают разработчики, на синхротронах в разных странах в основном используются кремниевые детекторы, однако на СКИФе будут проводиться эксперименты с излучением более высокой энергии, на которой у кремния низкая эффективность. Поэтому в качестве материала для таких сенсоров был выбран арсенид галлия, компенсированный хромом. Материал обладает повышенной радиационной стойкостью и чувствительностью к рентгеновскому излучению.

«Сенсоры на основе арсенида галлия позволяют работать с очень высокой энергией квантов, это даёт возможность просвечивать более массивные объекты, — отмечает Олег Толбанов. — GINTOS — это первый шаг к расширению диапазона инструментальной базы, которая позволит решать больший спектр исследовательских задач».

Учёным предстоит создать ещё четыре детектора другого типа — для станции изучения быстропротекающих процессов. Специалисты ИЯФ СО РАН планируют разрабатывать их в тесном сотрудничестве с коллегами из ТГУ. Всё это предстоит сделать до конца 2024 года, а запуск самой станции изучения быстропротекающих процессов запланирован на 2025 год.

«Рентгеновский детектор — это ключевая единица всех экспериментальных станций источника синхротронного излучения, без них невозможен ни один исследовательский проект, — рассказывает заместитель директора ЦКП „СКИФ“ по научной работе Ян Зубавичус. — Технологии изготовления детекторов в постсоветское время в России были утрачены, поэтому такие изделия в основном закупались за рубежом. Сейчас стране очень нужны свои детекторы, поэтому результат работы учёных ТГУ и ИЯФ СО РАН — это существенный технологический прорыв».

Инфраструктурное развитие ЦКП «СКИФ» предполагает создание 30 экспериментальных станций. Спрос на различные детекторные системы будет очень высоким, поэтому деятельность российских учёных по их разработке и производству является очень перспективной и необходимой для обеспечения технологического суверенитета страны.

ЦКП «СКИФ» создаётся в рамках национального проекта «Наука и университеты» для развития современной отечественной сети источников синхротронного излучения нового поколения в России.
Уникальные характеристики нового синхротрона позволят проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, гуманитарных науках. Также СКИФ поможет решить актуальные задачи инновационных и промышленных предприятий.