Российские физики создали стенд для проверки элементов детекторов на радиационное старение
Ученые ИЯФ СО РАН создали стенд, который позволяет проверять, как быстрые нейтроны старят кремниевые фотоумножители и другие элементы детекторов. Такие приборы нужны для коллайдеров, космических исследований и работы в сильных радиационных полях.
Источник: Т. Морозова. Установка VITA – ускорительный источник нейтронов для развития бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ).
МОСКВА, 14 мая. /Новости науки/. Российские физики создали в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН стенд для изучения радиационного старения ключевых элементов детекторов, работающих на коллайдерах. Установку сделали на базе VITA — ускорительного источника нейтронов, который также используют для развития бор-нейтронозахватной терапии.
Новый стенд нужен для проверки кремниевых фотоумножителей, или SiPM. Эти приборы регистрируют отдельные фотоны и входят в состав современных детекторных систем в физике элементарных частиц. Они применяются в системах идентификации частиц, калориметрах и других узлах, которые собирают данные на ускорителях.
Коллайдеры сталкивают пучки частиц, разогнанных почти до скорости света. В зоне столкновения рождаются новые частицы, а детекторы фиксируют их следы. Но рядом с этой областью возникает сильный радиационный фон. Для людей ускорители закрывают биологической защитой, а элементы детекторов постоянно работают под действием потока нейтронов.
Главную нагрузку на коллайдерах дают быстрые нейтроны с энергиями порядка 10–20 МэВ. В отличие от тепловых нейтронов, которые чаще захватываются атомными ядрами, быстрые нейтроны повреждают вещество. В кремниевых фотоумножителях они нарушают кристаллическую решетку кремния. Из-за этого растет шум, хуже различаются сигналы от фотонов, падает отношение сигнал/шум, а прибор со временем перестает давать нужное энергетическое или временное разрешение.
«У SiPM нет полной защиты против ионизирующей радиации. Частицы высоких энергий повреждают кристаллическую решетку кремния, создавая точечные или кластерные дефекты, становятся неразличимы импульсы от фотонов, ухудшается отношение сигнал/шум, и прибор в конце концов перестает обеспечивать требуемую функциональность», — сказал старший научный сотрудник Отделения физики твердого тела ФИАН кандидат физико-математических наук Сергей Виноградов.
По словам специалистов, сейчас существенно повысить радиационную стойкость таких фотоумножителей трудно. Поэтому физикам нужно заранее знать, как быстро они теряют свойства и сколько смогут проработать в реальных условиях. Для этого образцы облучают нейтронами и следят, как меняются их параметры.
История стенда началась с работ на установке VITA. В 2022 году специалисты ИЯФ СО РАН облучали потоком нейтронов оптоволокно для детектора CMS на Большом адронном коллайдере. Это оборудование планировали использовать для калибровки CMS в режиме высокой светимости. На том же прототипе стенда затем проверяли пластины карбида бора для международного термоядерного реактора ITER.
«Основная миссия установки VITA — это, конечно, развитие БНЗТ, но ее возможности позволяют развивать и другие направления. Например, мы используем установку для фундаментальных исследований по измерению сечений различных ядерных реакций, а также для тестирования материалов, перспективных для работы в экстремальных радиационных условиях», — сказал заведующий сектором ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Таскаев.
Он отметил, что запрос коллег из коллаборации CMS стал для института серьезной задачей. Нужно было не только получить мощный поток быстрых нейтронов, но и поддерживать его ежедневно в течение месяца. По словам Таскаева, переход с водородного пучка на дейтериевый позволил создать значительно более интенсивный поток нейтронов.
После этих испытаний ученые поняли, что в ИЯФ СО РАН можно проводить исследования радиационного старения на мировом уровне. В 2023 году, после прекращения сотрудничества с CMS, физики решили использовать полученный опыт для создания стенда под испытания SiPM. В 2024 году они изготовили первый прототип и проверили его работу под действием быстрых нейтронов. В 2025 году появился первый рабочий вариант стенда.
«Очень важно понимать, что за фотоумножитель перед вами, какая степень применимости у этого прибора в условиях высокой радиационной нагрузки. Да, все началось с CMS, но радиационные тесты твердотельных фотоумножителей актуальны и для нас самих, так как в ИЯФ СО РАН планируется реализация проекта электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-6», — сказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Виктор Бобровников.
В 2025 году на стенде провели серию радиационных тестов с несколькими японскими кремниевыми фотоумножителями. Ученые изучили, как от дозы облучения зависят шум, напряжение пробоя и фоточувствительность приборов. Эти испытания позволили отработать методику измерений и подтвердить, что стенд подходит для изучения радиационного старения SiPM.
В 2026 году ИЯФ СО РАН и Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН планируют совместно развивать инфраструктуру и методическую базу таких исследований. Договор между организациями находится на стадии подписания. В ФИАН тематикой SiPM занимается лаборатория оптоэлектроники: там изучают сами фотоумножители, методы их измерений и вероятностные модели процессов детектирования.
По словам Виноградова, стенд ИЯФ СО РАН ценен тем, что позволяет вести непрерывный мониторинг состояния SiPM прямо во время облучения нейтронами. Такой подход помогает точнее прогнозировать работу приборов в условиях радиации. Это важно не только для коллайдеров, но и для космических экспериментов, мониторинга радиационных загрязнений и других задач, где детекторы работают в жесткой среде.
Источник: Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН; метод исследования — радиационные испытания кремниевых фотоумножителей быстрыми нейтронами на установке VITA; ключевые параметры испытаний — шум, напряжение пробоя и фоточувствительность SiPM в зависимости от дозы облучения.
Новый стенд нужен для проверки кремниевых фотоумножителей, или SiPM. Эти приборы регистрируют отдельные фотоны и входят в состав современных детекторных систем в физике элементарных частиц. Они применяются в системах идентификации частиц, калориметрах и других узлах, которые собирают данные на ускорителях.
Коллайдеры сталкивают пучки частиц, разогнанных почти до скорости света. В зоне столкновения рождаются новые частицы, а детекторы фиксируют их следы. Но рядом с этой областью возникает сильный радиационный фон. Для людей ускорители закрывают биологической защитой, а элементы детекторов постоянно работают под действием потока нейтронов.
Главную нагрузку на коллайдерах дают быстрые нейтроны с энергиями порядка 10–20 МэВ. В отличие от тепловых нейтронов, которые чаще захватываются атомными ядрами, быстрые нейтроны повреждают вещество. В кремниевых фотоумножителях они нарушают кристаллическую решетку кремния. Из-за этого растет шум, хуже различаются сигналы от фотонов, падает отношение сигнал/шум, а прибор со временем перестает давать нужное энергетическое или временное разрешение.
«У SiPM нет полной защиты против ионизирующей радиации. Частицы высоких энергий повреждают кристаллическую решетку кремния, создавая точечные или кластерные дефекты, становятся неразличимы импульсы от фотонов, ухудшается отношение сигнал/шум, и прибор в конце концов перестает обеспечивать требуемую функциональность», — сказал старший научный сотрудник Отделения физики твердого тела ФИАН кандидат физико-математических наук Сергей Виноградов.
По словам специалистов, сейчас существенно повысить радиационную стойкость таких фотоумножителей трудно. Поэтому физикам нужно заранее знать, как быстро они теряют свойства и сколько смогут проработать в реальных условиях. Для этого образцы облучают нейтронами и следят, как меняются их параметры.
История стенда началась с работ на установке VITA. В 2022 году специалисты ИЯФ СО РАН облучали потоком нейтронов оптоволокно для детектора CMS на Большом адронном коллайдере. Это оборудование планировали использовать для калибровки CMS в режиме высокой светимости. На том же прототипе стенда затем проверяли пластины карбида бора для международного термоядерного реактора ITER.
«Основная миссия установки VITA — это, конечно, развитие БНЗТ, но ее возможности позволяют развивать и другие направления. Например, мы используем установку для фундаментальных исследований по измерению сечений различных ядерных реакций, а также для тестирования материалов, перспективных для работы в экстремальных радиационных условиях», — сказал заведующий сектором ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Таскаев.
Он отметил, что запрос коллег из коллаборации CMS стал для института серьезной задачей. Нужно было не только получить мощный поток быстрых нейтронов, но и поддерживать его ежедневно в течение месяца. По словам Таскаева, переход с водородного пучка на дейтериевый позволил создать значительно более интенсивный поток нейтронов.
После этих испытаний ученые поняли, что в ИЯФ СО РАН можно проводить исследования радиационного старения на мировом уровне. В 2023 году, после прекращения сотрудничества с CMS, физики решили использовать полученный опыт для создания стенда под испытания SiPM. В 2024 году они изготовили первый прототип и проверили его работу под действием быстрых нейтронов. В 2025 году появился первый рабочий вариант стенда.
«Очень важно понимать, что за фотоумножитель перед вами, какая степень применимости у этого прибора в условиях высокой радиационной нагрузки. Да, все началось с CMS, но радиационные тесты твердотельных фотоумножителей актуальны и для нас самих, так как в ИЯФ СО РАН планируется реализация проекта электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-6», — сказал старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Виктор Бобровников.
В 2025 году на стенде провели серию радиационных тестов с несколькими японскими кремниевыми фотоумножителями. Ученые изучили, как от дозы облучения зависят шум, напряжение пробоя и фоточувствительность приборов. Эти испытания позволили отработать методику измерений и подтвердить, что стенд подходит для изучения радиационного старения SiPM.
В 2026 году ИЯФ СО РАН и Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН планируют совместно развивать инфраструктуру и методическую базу таких исследований. Договор между организациями находится на стадии подписания. В ФИАН тематикой SiPM занимается лаборатория оптоэлектроники: там изучают сами фотоумножители, методы их измерений и вероятностные модели процессов детектирования.
По словам Виноградова, стенд ИЯФ СО РАН ценен тем, что позволяет вести непрерывный мониторинг состояния SiPM прямо во время облучения нейтронами. Такой подход помогает точнее прогнозировать работу приборов в условиях радиации. Это важно не только для коллайдеров, но и для космических экспериментов, мониторинга радиационных загрязнений и других задач, где детекторы работают в жесткой среде.
Источник: Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН; метод исследования — радиационные испытания кремниевых фотоумножителей быстрыми нейтронами на установке VITA; ключевые параметры испытаний — шум, напряжение пробоя и фоточувствительность SiPM в зависимости от дозы облучения.
