Новости - Наука

В Томском политехе проходит испытания алмаз для детектора Большого адронного коллайдера

Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) передал Томскому политехническому университету образец одного из алмазов, на основе которых создаются детекторы, фиксирующие столкновения элементарных частиц на Большом адронном коллайдере (БАК). По словам ученых, такие алмазы уникальны, они создаются специально для ЦЕРНа в единичных экземплярах. До января политехники будут исследовать присланный им образец с целью его дальнейшей модернизации. Затем уже готовый алмазный детектор будет отправлен в ЦЕРН, где проработает в течение года. Если результаты исследования будут успешными, то в дальнейшем ученые улучшат с помощью своей технологии качество работы и других алмазных детекторов на БАК.

Фото: установка по получению синтетических алмазов на базе лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» ТПУ.

Напомним, научная группа ТПУ участвует в апгрейде БАК. Политехники задействованы в проекте Beam Radiation Instrumentation and Luminosity (BRIL, коллаборация CMS) по измерению характеристик пучка элементарных частиц. Молодой ученый ТПУ Виталий Охотников, инженер научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий», курирует в этом проекте работу по повышению надежности системы алмазных детекторов BCML (Beam Condition Monitor Leakage), предназначенной для того, чтобы в случае возникновения неисправностей автоматически отключить ускорители коллайдера. Например, если будет превышен уровень светимости и радиации. Такие неисправности фиксируют алмазные детекторы. В связи с этим крайне важно, чтобы они работали исправно.

Однако ученые отмечают, что детекторы, которые установлены на БАК сейчас, часто ведут себя непредсказуемо, не всегда удается понять причину различия в их рабочих характеристиках.

Почему, например, из двух детекторов, созданных в одних условиях и со схожими начальными характеристиками, один быстро выходит из строя, а другой продолжает работать в тех же самых условиях много месяцев. Задача ученых ТПУ — выяснить, какие изменения происходят внутри таких детекторов во время работы коллайдера, чтобы затем сделать их устойчивее и предсказуемее в условиях высоких энергий усиленного пучка БАК. Отметим, как сообщалось ранее, к 2020 году ЦЕРН планирует увеличить мощность протонного пучка коллайдера в десять раз.

С этой целью один из алмазных образцов, которые входят в состав детекторов БАК, был недавно доставлен в Томский политех для испытаний.

«У нашего коллектива под руководством профессора кафедры экспериментальной физики Геннадия Ремнева есть большой опыт в области изучения, выращивания алмазов, анализа и оценки их внутренних изменений, — рассказывает Виталий Охотников. — Чтобы такой анализ провести, нам необходим эталон. Образец, который мы получили, как раз им и является. С его помощью мы постараемся понять, что происходит внутри таких кристаллов и как их можно усовершенствовать».

Фото: присланный в ТПУ образец алмаза для одного из детекторов Большого адронного коллайдера.

Сейчас ученые ТПУ исследуют свойства полученного алмаза, отрабатывают на нем различные физические процессы.

Первые наблюдения уже показали, что, возможно, алмазные детекторы в ЦЕРНе ведут себя различно в одинаковых условиях из-за металлизации (когда на алмаз наносится тонкий слой металла).

«Детекторы BCML находятся максимально близко к пучку БАК, чтобы вовремя суметь зафиксировать какие-либо отклонения в его работе. В связи с этим они получают достаточно большую дозу радиации, возникающей при столкновении заряженных частиц. Не каждый материал такую нагрузку выдержит, поэтому в таких детекторах и используют алмаз — один из самых радиационно-прочных материалов в мире. Он устойчиво и долго работает в условиях радиационного облучения, а также не требует охлаждения. Для сбора же заряда, образованного в теле детектора при облучении, по обе стороны от алмаза наносят проводящие обкладки, с которых и снимается сигнал, — объясняет Виталий Охотников. — Создание проводящих обкладок для детектора — это достаточно большая проблема, так как они должны сочетать высокую проводимость и хорошую адгезию (ред. — сцепление) с материалом детектора — это довольно-таки трудно из-за специфики алмаза. На металлизированных детекторах со временем покрытие отслаивается, между ним и алмазом образуются пустоты, это ведет к неравномерности поведения всего тела детектора, что может крайне негативно влиять на его характеристики. Мы считаем, это один из важных факторов, влияющих на возникающие различия в поведении алмазных детекторов с течением работы».

Для решения этой проблемы ученые ТПУ предложили синтезировать на непроводящем теле детектора алмазные слои, но уже с легированным (ред. — внедренным) в них бором.

Фото: Виталий Охотников курирует в ЦЕРНе проект по изучению алмазных детекторов и проект BRIL по измерению характеристик пучка элементарных частиц.

«По сути, мы выращиваем на алмазе другой алмаз с примесью бора.

Алмазные покрытия друг с другом хорошо крепятся, сцепление их поверхностей близко к идеальному. Это устраняет риск появления дефектов между ними, повышается вероятность, что во время своей работы детектор будет вести себя более предсказуемо, — заключает Виталий Охотников. — После детального обследования присланного нам образца мы нанесем на него такое алмазное покрытие и в январе 2018 года установим детектор на основе этого алмаза на коллайдере в специальной исследовательской зоне. Там он будет работать в течение года. В январе 2019-го мы извлечем его и изучим изменения, произошедшие в нем и в детекторах с обычной металлизацией. Если результаты эксперимента окажутся положительными, это позволит нам в будущем модернизировать и другие алмазные детекторы ЦЕРНа».

Добавим, еще одна задача политехников — создать у себя научную и техническую базу, чтобы уже самим выращивать усовершенствованные алмазные детекторы, более устойчивые к повышенным мощностям, на которые планирует перейти ЦЕРН в ближайшем будущем.

Адрес страницы: http://news.tpu.ru/news/2017/11/11/27876/