Детекторы нового поколения справились с экстремальными частотами ускорителей

Создана система измерения частиц с миллионом импульсов в секунду

Физики Калифорнийского университета в Санта-Крузе, совместно с другими учреждениями Калифорнии и Нью-Мексико, разработали новую диагностическую систему для ускорителей частиц следующего поколения. Команда университетов и национальных лабораторий США впервые протестировала компактную систему диагностики пучков, способную функционировать с будущими ускорителями, где частицы будут следовать друг за другом с частотой до миллиона импульсов в секунду — предел, на котором текущие детекторы теряют эффективность.

Причиной этой разработки стал резкий рост требований к ускорителям. Если современные установки работают примерно на уровне 120 импульсов в секунду, то новые системы должны достичь миллиона импульсов в секунду и выше. При таких условиях традиционные методы измерения уже не успевают фиксировать параметры пучка частиц и теряют свою точность.

Новая система является компактным детектором, в который интегрированы алмазные сенсоры, специализированные микрочипы и высокоточная электроника для считывания сигнала. Этот набор позволяет измерять параметры пучков в ускорителях, включая установки типа Linac Coherent Light Source II в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Ключевой технологический прогресс обусловлен не только материалами, но и архитектурой обработки сигнала. Команда разработала собственную интегральную схему — специализированный микрочип, который может считывать отклик алмазного сенсора в условиях экстремально высокой частоты событий. По словам руководителя проекта Брюса Шамма, без коллаборации университетов и национальных лабораторий такая система не могла бы быть разработана.

Первые полноценные испытания прошли на установке SLAC в прошлом году. Детектор подвергали воздействию электронных пакетов длительностью около одной пикосекунды (10-12 секунды). В ходе тестирования система обработала тысячи импульсов при различных режимах работы ускорителя и показала стабильный отклик с длительностью сигнала около одной восьмой наносекунды.

Отдельно акцентируется внимание на том, что измеренные характеристики совпали с расчетными моделями с высокой точностью, а чувствительность системы оказалась даже выше ожидаемой. Это имеет важное значение, поскольку на масштабах будущих ускорителей речь идет уже не о миллионах, а потенциально о миллиардах импульсов в секунду, где любая ошибка может привести к потере данных о поведении пучка.

В настоящее время разрабатывается вторая версия системы с новым поколением микрочипов, которая должна обеспечить еще более быстрый отклик и готовится к испытаниям в 2026 году. В будущем разработчики намерены сделать систему максимально универсальной — в формате «plug-and-play», чтобы ее можно было использовать даже в лабораториях без узкой специализации.

Если технология будет масштабирована, то она может стать основным 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 идет о создании измерительной инфраструктуры для физических процессов, происходящих на предельных временных масштабах — от пикосекунд до наносекунд.