Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе в сотрудничестве с рядом институтов США представили передовую систему диагностики для ускорителей частиц следующего поколения. Новая технология способна работать в экстремальных условиях, фиксируя потоки частиц с частотой до миллиона импульсов в секунду — это критический порог, на котором современные детекторы теряют точность и перестают справляться с нагрузкой.
Преодоление предела частоты ускорителей
Разработка стала ответом на растущие запросы науки: если текущие ускорители работают в режиме около 120 импульсов в секунду, то перспективные установки будущего нацелены на показатели в миллион импульсов и выше. При такой плотности потока традиционные системы мониторинга не успевают обрабатывать сигналы, что приводит к серьезным погрешностям в измерениях параметров пучка.
Инновационный детектор представляет собой компактный модуль, сочетающий в себе:
- алмазные сенсоры для регистрации излучения;
- специализированные интегральные микросхемы (ASIC);
- высокоточную электронику для мгновенного считывания данных.
Такая архитектура позволяет эффективно отслеживать поведение частиц в таких мощных установках, как Linac Coherent Light Source II в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Фото: Carolyn Lagattuta
Технологические особенности и результаты испытаний
Ключ к успеху кроется в уникальной архитектуре обработки сигнала. Специально разработанный микрочип позволяет считывать отклик алмазного сенсора практически в реальном времени при экстремальных частотах событий. Как отметил руководитель проекта Брюс Шамм, достичь подобного результата удалось только благодаря тесному взаимодействию академических институтов и национальных лабораторий.
В ходе прошлогодних испытаний на установке SLAC детектор успешно прошел проверку под воздействием электронных пакетов длительностью около одной пикосекунды (10⁻¹² секунды). Система продемонстрировала стабильную работу на тысячах импульсов, показав длительность сигнала всего в одну восьмую наносекунды. Полученные данные полностью подтвердили точность теоретических моделей, а чувствительность устройства превзошла первоначальные ожидания ученых.
Перспективы внедрения
На данный момент команда работает над второй итерацией системы, оснащенной чипами нового поколения. Испытания запланированы на 2026 год. Разработчики стремятся превратить свое решение в универсальный инструмент формата «plug-and-play», который можно будет внедрять в исследовательские лаборатории без необходимости в сложной узкоспециализированной настройке.
В случае успеха технология может стать стандартом для физики высоких энергий, управления лазерными установками большой мощности и экспериментов по термоядерному синтезу. Создание такой измерительной инфраструктуры открывает путь к изучению физических процессов, протекающих на временных масштабах от пикосекунд до наносекунд.
