Осталось около полугода до начала работы синхротрона СКИФ в наукограде Кольцово Новосибирской области и запуска первой очереди исследовательских станций на его основе. И одной из первых заработавших на комплексе станций станет лаборатория для изучения быстрых переходных процессов в материалах. На днях российские учёные сообщили об изготовлении первых детекторов как для этой лаборатории, так и для синхротрона.

Источник изображения: https://strana-rosatom.ru

Всего на СКИФе будет 30 экспериментальных станций. Полное их создание растянется на несколько лет, но сам синхротрон и первые станции будут завершены к концу 2024 года. Эксплуатация синхротрона и первой очереди лабораторий начнётся в первой половине 2025 года. Представленный на днях детектор позволит снимать быстрые процессы в материалах со скоростью до 10 млн кадров в секунду. Образцы будут облучаться синхротронным излучением (разогнанными до релятивистских скоростей электронами).

Детектор GINTOS для лаборатории (координатный детектор на полупроводниках) изготовили сотрудники Томского государственного университета (ТГУ) и Института ядерной физики им. Будкера (ИЯФ).

«Детектор GINTOS позволит исследовать реакцию материалов на импульсные тепловые и механические нагрузки. Это необходимо для понимания процессов, которые будут происходить, например, в термоядерном реакторе ИТЭР при попадании раскалённой плазмы на вольфрамовую стенку. Также детектор позволит изучать распространение ударных волн и других динамических процессов в микросекундном диапазоне», — рассказал главный научный сотрудник ИЯФ Лев Шехтман.

Как нетрудно понять, датчики GINTOS должны быть очень быстродействующими. Для них радиофизики ТГУ разработали сенсоры на основе арсенида галлия, компенсированного хромом. Этот материал обладает повышенной радиационной стойкостью и чувствительностью к рентгеновскому излучению.

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

Синхротрон СКИФ станет первым в мире источником синхротронного излучения поколения 4+. Он откроет широкие возможности для исследований в области материаловедения, биологии, фармацевтики, физики, квантовой химии и многих других сфер.

От большой науки редко ждут немедленного практического результата, но исключения бывают. Свежим примером стало использование датчика для регистрации столкновений частиц на БАК для картирования тканей головного мозга при работе с опухолями. Датчик помогает определять контуры опухоли и даёт возможность уничтожить её с минимальным вредом для пациента.

Источник изображения: CERN

В обычных условиях для облучения опухоли электронным пучком карта тканей создаётся с помощью предоперационной компьютерной томографии. К моменту операции ткани могут сдвинуться, и работа с опухолью может быть неточной. Разрушение электронным пучком здоровых тканей мозга ни к чему хорошему не приведёт. Пациент может потерять фрагменты памяти, элементы сенсорики и моторики.

Чтобы чётко определять края злокачественной ткани, чешская компания ADVACAM использовала созданный для экспериментов с элементарными частицами датчик Timepix компании Medipix Collaborations. Датчик фиксирует вторичное излучение в виде рассеивания электронного пучка на живых тканях и опухоли. Если картина меняется — в поле действия пучка попадает здоровая ткань — работа пучком по опухоли прекращается. Сейчас это просто остановка процедуры для проведения новой томографии.

В будущем разработчики обещают создать установку для автоматического управления проектором в ходе операции, что упростит и ускорит процедуру удаления опухоли, а также снизит опасность повреждения здоровых тканей. Созданный для задач CERN прибор принесёт фактически немедленную пользу, на которую при его разработке даже не рассчитывали.

Исследователи из Стэнфордского университета разработали и создали крошечный ускоритель электронов, который может быть собран в корпусе размером с коробку из-под обуви. Когда-нибудь они заменят мегадорогие ускорители для передовых исследований в физике и внесут кардинальные перемены в медицинское обслуживание, промышленность и даже повседневную жизнь.

Источник изображения: Moore Foundation / Payton Broaddus

Исследователи показали, что кремниевый диэлектрический лазерный ускоритель (DLA) способен как ускорять, так и направлять электроны, создавая сфокусированный пучок электронов высокой энергии. «Если бы электроны были микроскопическими автомобилями, мы бы как будто впервые сели за руль и нажали на газ», — пояснила 23-летняя Пейтон Броддус (Payton Broaddus), кандидат наук в области электротехники и ведущий автор статьи, опубликованной 23 февраля с подробным описанием прорыва в журнале Physical Review Letters.

Сегодня ускорители частиц не отличаются компактностью, начинаясь от размеров с приличный рабочий стол и заканчивая Большим адронным коллайдером с кольцом длиной почти 27 км. Это дорогостоящие научные приборы, использовать которые полноценно могут в основном академические учёные. Создание компактных и относительно недорогих или вовсе недорогих ускорителей позволит применять их в медицине для детальной визуализации внутренних тканей органов человека и для лечения опухолей. Ускорители помогут с анализом материалов, веществ и с неразрушающим контролем качества. Наконец, появятся приборы, по-настоящему показывающие нитратный и даже молекулярный состав купленных в магазине фруктов и овощей.

Около 10 лет назад исследователи из Стэнфорда начали экспериментировать с наноразмерными структурами, изготовленными из кремния и стекла, которые без деформаций выдерживали большие перепады температур, чем металлические части ускорителей. В 2013 году был создан прототип крошечного ускорителя из стекла на основе импульсных инфракрасных лазеров, который успешно разгонял электроны. Под эту разработку Фонд Гордона и Бетти Мур в рамках международного сотрудничества Accelerator on Achip (ACHIP) выделили средства на создание мегаэлектронвольтового ускорителя размером с обувную коробку.

Изображение трека для создания сфокусированного пучка электронов. Источник изображения: Physical Review Letters

В результате исследований была разработана микроструктура, которая оказалась способна фокусировать пучок электронов в двух плоскостях, ускоряя и направляя их вдоль горизонтальной плоскости. Электроны вводятся с одной стороны субмиллиметрового трека, а с обоих его концов происходит импульсное освещение лазерами. Предложенное решение позволило придать электронам дополнительно 25 % энергии — ускорить их до 23,7 кэВ. Это ускорение сопоставимо с возможностями классических настольных ускорителей, но реализовано в «коробке из-под обуви».

Дальнейшее совершенствование схемы позволит поднять энергию ускорения до запланированного уровня в 1 МэВ. Каскад таких ускорителей или использование на начальном этапе других схем, например, этой, созданной коллегами из Университета Фридриха-Александра в Эрлангене и Нюрнберге (FAU), позволит изготавливать компактные усилители с разгоном электронов до субсветовых скоростей. Но это работа для далёкого будущего. Сейчас в этом направлении сделаны хоть и успешные, но только первые шаги.

Учёные из Техасского университета в Остине создали «Усовершенствованный лазерный ускоритель кильватерного поля», который имеет очень компактные размеры, но при этом генерирует высокоэнергетический пучок электронов — до 10 ГэВ или 10 миллиардов электрон-вольт. Это настоящий прорыв в области ускорителей частиц.

Источник изображения: Bjorn «Manuel» Hegelich

Учёные продолжают изучать возможности применения этой технологии, включая потенциал ускорителей частиц в полупроводниковой технологии, медицинской визуализации и терапии, исследованиях в области материалов, энергетики и медицины.

Недавно группа учёных разработала компактный ускоритель частиц, получивший название «усовершенствованный лазерный ускоритель кильватерного поля». Устройство при длине менее 20 метров генерирует электронный пучок с энергией 10 миллиардов электрон-вольт, утверждается в заявлении Техасского университета в Остине. Сам лазер работает в 10-сантиметровой камере, что значительно меньше традиционных ускорителей частиц, которым требуются километры пространства.

Работа ускорителя опирается на инновационный механизм, в котором вспомогательный лазер воздействует на гелий. Газ подвергается нагреву до тех пор, пока не переходит в плазму, которая, в свою очередь, порождает волны. Эти волны обладают способностью перемещать электроны с высокой скоростью и энергией, формируя высокоэнергетический электронный луч. Таким образом получается уместить ускоритель в одном помещении, а не строить огромные системы километрового масштаба. Данный ускоритель был впервые описан ещё в 1979 году исследовательской группой из Техасского университета под руководством Бьорна «Мануэля» Хегелича (Bjorn «Manuel» Hegelich), физика и генерального директора TAU Systems. Однако недавно в конструкцию был внесен ключевой элемент: использование металлических наночастиц. Эти наночастицы вводятся в плазму и играют решающую роль в увеличении энергии электронов в плазменной волне. В результате электронный луч становится не только более мощным, но и более концентрированным и эффективным. Бьорн «Мануэль» Хегелич, ссылаясь на размер камеры, в которой был получен пучок, отметил: «Теперь мы можем достичь таких энергий на расстоянии в 10 сантиметров».

Исследователи использовали в своих экспериментах Техасский петаваттный лазер, самый мощный импульсный лазер в мире, который излучал сверхинтенсивный световой импульс каждый час. Один импульс петаваттного лазера примерно в 1000 раз превышает установленную в США электрическую мощность, но длится всего 150 фемтосекунд — примерно миллиардную долю от продолжительности удара молнии.

Учёные намерены использовать эту технологию для оценки устойчивости космической электроники к радиации, получения трёхмерных визуализаций новых полупроводниковых чипов, а также для создания новых методов лечения рака и передовой медицинской визуализации. Кроме того, этот ускоритель может быть использован для работы другого устройства, называемого рентгеновским лазером на свободных электронах, который может снимать замедленные видеоролики процессов в атомном или молекулярном масштабе. Примеры таких процессов включают взаимодействие между лекарствами и клетками, изменения внутри батарей, которые могут привести к воспламенению, а также химические реакции, происходящие в солнечных батареях, и трансформацию вирусных белков при заражении клеток.

Команда проекта намерена сделать систему ещё более компактной. Они хотят создать лазер, который помещается на столешнице и способен выдавать импульсы множество раз в секунду. Это значительно повысит компактность всего ускорителя и расширит возможности его применения в гораздо более широком диапазоне по сравнению с обычными ускорителями.