Использование полых оптических волокон для мониторинга ускорителей
Команда тестирует применение полых оптических волокон для измерения профиля и положения пучков, извлекаемых из Super Proton Synchrotron (SPS), второго по величине ускорителя частиц в ЦЕРН, который питает эксперименты, расположенные в Северной зоне.
В отличие от обычных волокон
В отличие от обычных волокон, которые направляют свет через твёрдое стекло, полые оптические волокна внутри в основном пустые, но имеют микроструктурную конструкцию, которая направляет свет через эффекты резонанса — антирезонанса в электромагнитном поле.
Создание мощного датчика излучения
Заполнив эти волокна scintillating gas (сцинтиллирующим газом — газом, который излучает крошечные вспышки света при столкновении с частицами), учёные могут создать простой, но мощный датчик излучения, который помогает им регулировать профиль и положение пучка, а также может даже позволить им измерять дозу доставленного пучка в режиме реального времени.
Применение в условиях экстремального излучения
В отличие от многопроволочных пропорциональных камер и детекторов сцинтилляторов, которые используются в настоящее время, эти волокна можно использовать в условиях экстремального излучения, что делает их очень полезными для будущих ускорителей и экспериментов ЦЕРН.
Важность точного измерения пучков частиц
Точное измерение пучков частиц имеет решающее значение как для физиков-экспериментаторов, так и для физиков пучков. Работа всех ускорителей ЦЕРН зависит от огромного количества данных, передаваемых тысячами датчиков пучков, распределённых вдоль машин. Но их надёжность может быть нарушена при высоких энергиях или интенсивностях.
Применение в медицинской сфере
Это также касается учёных, разрабатывающих ускорители для медицинских применений, таких как FLASH-радиотерапия. Технология FLASH обеспечивает доставку излучения со сверхвысокой дозой и показывает большие перспективы в лечении рака, но её экстремальные условия пучка также требуют разработки новых видов инструментов мониторинга.
Исследование новых инструментов
Команда, занимающаяся диагностикой пучков для экспериментов ЦЕРН, вместе с исследователями, работающими над медицинскими приложениями, изучает новые инструменты, которые могут выдерживать экстремальное излучение.
Тестирование на испытательных объектах ЦЕРН
В 2024 и 2025 годах команда провела испытания концепции на различных испытательных объектах и ускорителях ЦЕРН, таких как CLEAR. Они подвергли волокно, наполненное смесью аргона и азота, электронному пучку и подключили его к кремниевому фотоумножителю — датчику, который может обнаруживать отдельные фотоны. Каждый раз, когда пучок проходил через волокно, газ загорался, и волокно передавало этот сигнал на детектор.
Результаты
Результаты, представленные на Международной конференции по инструментам для пучков в этом году, были поразительными. «Измерения волокна профиля пучка близко соответствовали измерениям традиционного YAG-экрана, кристалла, который светится при столкновении с частицами», — объясняет Инаки Ортега Руис, который возглавляет работу по консолидации приборов для пучков в Северной экспериментальной зоне SPS. «Даже после получения дозы излучения, достаточной для повреждения многих приборов, волокно не показало признаков потери производительности».
Дальнейшая работа
Эти первые результаты обнадёживают, но запланирована дальнейшая работа по улучшению соединения между волокном и детектором, тестированию герметичных волокон, предварительно заполненных газом, и изучению долгосрочной радиационной стойкости волокон.
Предоставлено CERN