Детекторы нового поколения выдержали экстремальные частоты ускорителей
Физики Калифорнийского университета в Санта-Крузе совместно с другими институтами Калифорнии и Нью-Мексико разработали новую систему диагностики для ускорителей частиц следующего поколения. Команда университетов и национальных лабораторий США впервые испытала компактную систему диагностики пучков, способную работать с будущими ускорителями, где частицы будут следовать друг за другом с частотой до миллиона импульсов в секунду — предел, на котором существующие детекторы перестают справляться.
Причина разработки — резкий скачок требований к ускорителям. Если современные установки работают примерно на уровне 120 импульсов в секунду, то новые системы должны выйти на миллион импульсов в секунду и выше. При таких темпах традиционные системы измерения уже не успевают фиксировать параметры пучка частиц и теряют точность.
Новая разработка представляет собой компактный детектор, в котором объединены алмазные сенсоры, специализированные микрочипы и высокоточная электроника считывания сигнала. Такой набор позволяет измерять параметры пучков в ускорителях, включая установки вроде Linac Coherent Light Source II в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Фото: Carolyn LagattutaКлючевой технологический скачок связан не только с материалами, но и с архитектурой обработки сигнала. Команда разработала собственную интегральную схему — специализированный микрочип, который способен считывать отклик алмазного сенсора в условиях экстремально высокой частоты событий. По словам руководителя проекта Брюса Шамма, без объединения университетов и национальных лабораторий подобная система не могла бы быть создана.
Первые полноценные испытания прошли на установке SLAC в прошлом году. Детектор подвергали воздействию электронных пакетов длительностью около одной пикосекунды (10–12 секунды). В ходе тестов система обработала тысячи импульсов при разных режимах работы ускорителя и показала стабильный отклик с длительностью сигнала около одной восьмой наносекунды.
Отдельно подчёркивается, что измеренные характеристики совпали с расчётными моделями с высокой точностью, а чувствительность системы оказалась даже выше ожидаемой. Это важно, поскольку на масштабах будущих ускорителей речь идёт уже не о миллионах, а потенциально о миллиардах импульсов в секунду, где любая погрешность приводит к потере данных о поведении пучка.
Сейчас разрабатывается вторая версия системы с новым поколением микрочипов, которая должна обеспечить ещё более быстрый отклик и готовится к испытаниям в 2026 году. В перспективе разработчики планируют сделать систему максимально универсальной — в формате «plug-and-play», чтобы её можно было использовать даже в лабораториях без узкой специализации.
Если технология будет масштабирована, то она может стать базовым инструментом не только для ускорителей частиц, но и для задач физики высоких энергий, управления мощными лазерными системами и исследований термоядерного синтеза.
Смысл разработки выходит за рамки улучшения одного класса приборов: речь идёт о создании измерительной инфраструктуры для физических процессов, происходящих на предельных временных масштабах — от пикосекунд до наносекунд.
© iXBT
