Российские физики создали стенд для исследования радиационного старения ключевых элементов систем детекторов, работающих на коллайдерах
- 14.05.2026
Элементы ускорителей частиц (коллайдеров) и приборы на космических станциях работают в условиях сильного радиационного фона, который со временем их разрушает, или, как говорят специалисты, старит. Чтобы проверить, какие изменения они претерпевают под его воздействием и сколько проработают в таких условиях, проводятся тесты на радиационное старение. В 2025 г. в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) для проведения подобных исследований создан стенд на базе установки VITA – ускорительного источника нейтронов для развития бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). В 2022 г. на нем было успешно исследовано оборудование детектора CMS, работающего на Большом адронном коллайдере (LHC, CERN), и материалов первой стенки ИТЭР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). В 2026 г. ИЯФ СО РАН совместно с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) запланировали совместное развитие инфраструктуры и методической базы исследований радиационного старения кремниевых фотоумножителей. Последние являются чувствительными элементами для регистрации фотонов и широко используются в системах современных детекторах для физики элементарных частиц (ФЭЧ). Договор находится на стадии подписания.
Ключевые установки в ФЭЧ, которые дают основной массив экспериментальных данных для этого раздела физики – коллайдеры. В них по круговой орбите движутся и сталкиваются пучки встречных частиц, ускоренные до релятивистских скоростей. Во время соударения происходит аннигиляция, то есть высвобождение энергии с последующей трансформацией исходных частиц в другие. Так физики получают информацию об устройстве микромира. В области столкновения находятся детекторы, фиксирующие все происходящие процессы с образованием новых частиц, здесь же неизбежно возникает сильный радиационный фон. Естественно, что коллайдеры оборудованы биологической защитой для безопасной работы персонала, а вот элементы детекторных систем постоянно подвергаются воздействию радиации от потока нейтронов.
Установка VITA – ускорительный источник нейтронов для развития бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). Фото Т. Морозовой.
Основной вклад в радиационную нагрузку на работающих коллайдерах дают быстрые нейтроны с энергиями порядка 10-20 МэВ. Если тепловые нейтроны в основном захватываются атомными ядрами вещества, то быстрые нейтроны фактически разрушают их. Одним из примеров такого разрушающего воздействия является изменение характеристик ключевых чувствительных приборов, широко использующихся в системах детекторов (системы идентификации частиц, калориметры и т.д.) – твердотельных фотоумножителей на основе кремния, или SiPM (Silicon PhotoMultiplier), которые способны регистрировать отдельные фотоны. SiPM при поглощении фотонов, с некоторой достаточно высокой вероятностью, формирует токовый импульс, который затем регистрируется специальной электроникой. Но под воздействием облучения потоком нейтронов SiPM со временем утрачивает свои свойства.
«У SiPM нет полной защиты против ионизирующей радиации, – прокомментировал старший научный сотрудник Отделения физики твердого тела ФИАН кандидат физико-математических наук Сергей Виноградов. – 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, например, по энергетическому или временному разрешению. Других причин выхода из строя для SiPM практически нет».
По словам специалистов, пока что повысить радиационную стойкость кремниевых фотоумножителей невозможно, поэтому необходимо сохранять параметры повреждаемых радиацией устройств. Тесты по радиационному старению необходимы для оценки способности материалов сохранять свойства под воздействием ионизирующего излучения. В 2025 г. в ИЯФ СО РАН был разработан и реализован первый вариант стенда для проведения подобных экспериментов. Его создали на базе установки VITA – ускорительного источника нейтронов на основе ускорителя-тандема с вакуумной изоляцией и литиевой нейтроногенерирующей мишени для БНЗТ. Но история его создания началась немного раньше. В 2022 г. специалисты облучали потоком нейтронов оптоволокно, которое предполагают использовать для калибровки детектора CMS Большого адронного коллайдера, когда он начнет работать в новом режиме высокой светимости.
«Основная миссия установки VITA – это, конечно, развитие БНЗТ, но ее возможности позволяют развивать и другие направления, – прокомментировал заведующий сектором ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Сергей Таскаев. – 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, например, в термоядерных реакторах. В 2022 г. запрос от коллег из коллаборации CMS стал для нас вызовом, потому что мы не только должны были сгенерировать мощный поток быстрых нейтронов, но и поддерживать его работу ежедневно в течение месяца. Благодаря смене водородного пучка на дейтериевый мы научились создавать реально много нейтронов. После успешных испытаний для ЦЕРН на том же прототипе стенда мы облучали пластины карбида бора для ИТЭР».
По результатам успешно проведенного эксперимента в 2022 г. стало ясно, что в ИЯФ СО РАН можно проводить подобного рода исследования мирового уровня. В 2023 г. после прекращения сотрудничества с коллаборацией CMS было принято решение попробовать реализовать стенд для исследования радиационного старения SiPM с использованием полученного опыта работы на VITA. Физики сфокусировались именно на SiPM, потому что это базовый чувствительный элемент детекторов любой ускорительной машины. В 2024 г. был изготовлен первый прототип стенда и проверена его работоспособность под воздействием быстрых нейтронов. Дальнейшим развитием этой методики стало создание первого варианта стенда в 2025 г.
«Очень важно понимать, что за фотоумножитель перед вами, какая степень применимости у этого прибора в условиях высокой радиационной нагрузки, – добавил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Виктор Бобровников. – 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. И, конечно, для других российских заказчиков. За 2025 г. мы создали рабочую версию стенда, в которой реализовали ряд методик, отработанных на прототипе. После этого провели ряд радиационных тестов с несколькими японскими SiPM: исследовали зависимость шума, поведение напряжения пробоя и фоточувствительность от радиационной дозы. Таким образом мы отработали методику измерений и показали, что стенд является достаточно эффективным для исследования радиационного старения SiPM. В 2026 г. мы договорились с коллегами из ФИАН, что будем вместе развивать методику проведения радиационных тестов и исследовать твердотельные фотоумножители, работающие в экстремальных радиационных условиях. На данный момент договор находится на стадии подписания».
В России тематикой твердотельных фотоумножителей занимаются в том числе в лаборатории оптоэлектроники ФИАН. Здесь специалисты проводят экспериментальные исследования SiPM, разрабатывают методики их измерений и вероятностные моделей процессов детектирования в таких устройствах.
«Разработки новых конструкций – самая увлекательная и самая сложная часть работ по SiPM. К сожалению, возможности их проведения определяются доступностью кремниевых производств, и возникают они очень редко, – добавил Сергей Виноградов. – Мы занимаемся почти всеми направлениями тематики SiPM. Стенд радиационных исследований ИЯФ СО РАН позволит нам продвинуться на этом пути. Разработка методик и корректные измерения основных параметров SiPM при радиационных повреждениях имеют самостоятельную ценность для прогноза функционирования SiPM в условиях радиации, что важно практически для всех применений SiPM в коллайдерах и подобных экспериментах, а также для исследований в космосе, мониторинга радиационных загрязнений окружающей среды и др. Стенд ИЯФ СО РАН – это уникальная установка, которая позволяет вести непрерывный мониторинг состояния и параметров SiPM непосредственно в ходе облучения образцов нейтронами установки БЗНТ. Такой возможности, насколько я знаю, больше нет нигде в мире. В целом, я считаю очень интересным и перспективным сотрудничество с ИЯФ СО РАН по развитию инфраструктуры и методической базы таких исследований, а еще надеюсь, что это когда-нибудь приведет к разработке радиационно-стойких твердотельных фотоумножителей».
На фото общий вид оборудования, установленного в концентраторе (без верхних листов свинца). Сверху мишенный узел, в котором происходит генерация быстрых нейтронов. Фото предоставлено В. Бобровниковым.