Ученые лондонского университета Роял Холлоуэй (Royal Holloway, University of London, RHUL) предложили разработать новые датчики для Большого адронного коллайдера на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в Томском политехническом университете. Такие датчики, по словам британских ученых, будут обладать высокой прочностью, быстрой реакцией на столкновения заряженных частиц, а также радиационной стойкостью и разрешением, а значит — данные об эксперименте на Большом адронном коллайдере станут более точными и качественными.
Фото: лаборатория №1 Института физики высоких технологий
Напомним, в ближайшем будущем, с целью продолжения экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), ученые Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) планируют увеличить интенсивность протонного пучка в десять раз. Это будет сделано в рамках плановой модернизации установки с целью увеличения светимости (Hi-Lumi upgrade). Если это сделать сейчас, оборудование не выдержит высокой нагрузки. Поэтому в настоящее время ЦЕРН вкладывает большие ресурсы в модернизацию оборудования БАК.
Попробовать создать сверхбыстрые и радиационно стойкие детекторы на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в ТПУ, предложил Павел Каратаев, профессор университета Роял Холлоуэй, заведующий лабораторией разработки источников электромагнитного излучения Центра RASA в Томске.
«Те энергии, которые возникают во время экспериментов на Большом адронном коллайдере, уникальны — нигде в мире таких высоких энергий больше нет. Условия экспериментов тоже необычные — столкновения частиц происходят каждые 28 наносекунд, это очень часто. Соответственно, нужны специальные детекторы, которые дают быстрый отклик, быстро восстанавливаются, а главное, мы должны быть способны понять информацию о столкновениях частиц, поступающую к нам с этих детекторов.
На сегодняшний день эта проблема для ЦЕРНа актуальна. В центре используется много детекторов, которые реагируют на пучок, однако не всегда удается их понять и определить, по какому принципу они работают», — отмечает Павел Каратаев.
Детекторы на основе алмазов, по его мнению, могут оказаться вполне способны решить эти задачи.
«Алмаз — это не только самый крепкий в мире минерал, он также является очень хорошим детектором заряженных частиц. Преимущество детекторов на основе алмазов в том, что они способны работать в экстремальных условиях. Главное преимущество алмаза для нас в том, что он радиационно стойкий. То есть, мы можем не бояться, что такой детектор повредится под воздействием частиц с самой высокой энергией, когда-либо достигнутой человеком. С помощью алмаза мы можем регистрировать поток заряженных частиц с около-световой скоростью», — рассказывает Павел Каратаев.
Детекторы на основе алмазов сейчас используются в ЦЕРНе. Например, в эксперименте АТЛАС. Однако такие датчики состоят из монокристаллов — то есть цельных кристаллов алмаза, которые трудно получать, а, главное, трудно гарантировать качество их изготовления. Природный алмаз необходимо правильно обработать, сохранив при этом требуемые размеры — чуть перестараешься, и он станет меньше по размеру, чем нужно. Плюс в природных алмазах могут быть природные примеси других элементов, способных исказить данные о столкновении частиц. Для выращивания искусственных моноалмазов требуется большое количество времени. Поэтому лучше всего подходит поликристаллическая пленка, которую можно изготовить любой требуемой формы и размера.
Технологию получения таких тонких поликристаллических алмазных пленок разрабатывают ученые Института физики высоких технологий ТПУ. Для синтеза алмазных пленок используется так называемый метод горячей нити (Hot Filament Chemical Vapour Deposition). Суть метода заключается в термическом разложении газовой смеси метана и водорода при помощи вольфрамовой нити, разогретой до температуры свыше 2000 градусов Цельсия.
«Основной проблемой использования поликристаллической алмазной пленки в качестве детектирующего элемента является неоднородность ее свойств. Дело в том, что поликристаллическая алмазная пленка имеет зерненую структуру, и на границе зерен может накапливаться неалмазная фаза углерода, обладающая отличными от алмаза свойствами. Это, в свою очередь, ведет к искажению данных, считываемых с детектора. Нашей основной задачей является синтез поликристаллических алмазных пленок требуемого качества, — рассказывает инженер-исследователь лаборатории №1 Института физики высоких технологий ТПУ Александр Гайдайчук. —
Детекторы на основе поликристаллических алмазных пленок на данный момент изготавливаются и испытываются только в научных целях. Эту технологию исследуют ученые из разных стран мира, но она еще не доведена до нужного уровня. И, если мы получим детекторы с требуемыми параметрами и нужными характеристиками, то будем первыми, кому это удастся, и первыми, кто предложит эту технологию ЦЕРНу».
Справка:
В 2015 году исследование ученых лаборатории №1 ИФВТ ТПУ получило поддержку Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ): политехники выиграли грант в размере 5,1 млн рублей сроком на три года.
Источник: Официальный сайт ТПУ