Радиофизики создают сенсоры для самого мощного в мире синхротрона СКИФ
19 Января 2022

Учёные радиофизического факультета Томского госуниверситета разрабатывают новые детекторы – одну из важнейших составляющих для самого мощного в мире источника синхротронного излучения СКИФ. Его строительство в 2021 году начато под Новосибирском. Эти детекторы для СКИФа будут в 1000 раз устойчивее к радиационной нагрузке, чем кремниевые сенсоры, используемые в синхротронах других стран. Первая партия детекторов ТГУ уже передана в ИЯФ СО РАН (Новосибирск), который занимается изготовлением оборудования для СКИФа. Наличие у России своей установки класса мегасайенс позволит решать одну из главных задач СНТР – создавать новые материалы с уникальными свойствами для обороны и национальной безопасности, биомедицины, новой энергетики и других важнейших областей промышленности, науки, здравоохранения. 

– СКИФ (Сибирский кольцевой источник фотонов) можно назвать проектом века, поскольку это первый на планете источник синхротронного излучения класса 4+, – говорит директор Центра исследования и разработок «Перспективные технологии микроэлектроники» ТГУ Олег Толбанов. – Даже источники четвёртого класса пока можно сосчитать по пальцам одной руки. Такие установки есть только в США и ЕС, ещё две строятся в Китае и Японии. Российский синхротрон будет на уровень выше. Если энергия фотонов существующих установок преимущественно до 15 килоэлектронвольт, то у СКИФа она составит от 20 до 100 КэВ, при этом увеличена и интенсивность синхротронного источника.

DSC_6253.jpg

При такой высокой энергии фотонов кремний, который сейчас чаще всего используется для изготовления детекторов, станет прозрачным и не способным регистрировать фотоны, что приведет к потере информации об исследуемых объектах. Поэтому перед разработчиками из Томского госуниверситета была поставлена задача, которую ранее никто из учёных не решал: создать принципиально новый класс сенсоров с радиационной стойкостью в 1000 раз выше, чем у самых надёжных кремниевых детекторов. Это обеспечит не только функциональность, но и долговечность новых устройств. 

При изготовлении сенсоров для СКИФа радиофизики ТГУ использовали арсенид галлия, компенсированный хромом (HR-GaAs:Cr). Отметим, что высокое удельное сопротивление этих сенсоров (High Resistivity, HR) является общепризнанной визитной карточкой, обеспечивающей узнаваемость Томского госуниверситета в мировом научном сообществе. 

Первые многоэлементные (линейки и матрицы) для установки мегасайенс были изготовлены по технологии монолитных интегральных схем и протестированы в Центре исследований и разработок «Перспективные технологии микроэлектроники» ТГУ. Сенсоры полностью отвечают требованиям, заявленным головным исполнителем проекта СКИФ – Институтом ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН.

DSC_6417.jpg

– Первую партию детекторов мы уже передали в ИЯФ СО РАН (Новосибирск), который занимается изготовлением оборудования для СКИФа, в том числе разработкой электроники считывания и преобразования информации с наших сенсоров, – поясняет Олег Толбанов. – Электроника преобразует излучение, прошедшее через объект, в цифровое изображение, причём, для многих объектов будет можно получить его в формате 3-D. В совокупности наши детекторы и электроника ИЯФ СО РАН – это приёмное устройство, один из главных узлов синхротрона. От точности его работы в итоге зависит результат любого исследования.

Планируется, что источник синхротронного излучения будет построен до конца 2023 года, а исследования на первых шести станциях СКИФ начнутся уже в 2025 году.  Основными пользователями возможностей синхротрона станут физики, химики, биологи. Они смогут изучать атомарную структуру самых разных исследуемых объектов – от кристаллов любой природы до вирусов, бактерий, клеточных процессов, которые приводят к развитию патологий. Это поможет раскрыть принципы природных процессов и значительно ускорить создание новых нанобиотехнологий и материалов с улучшенным функционалом, например, сверхтвёрдостью или сверхупругостью.

Запуск российского синхротрона позволит разрабатывать роботизированные и цифровые устройства нового класса, которые выведут медицину и промышленное производство на новый высокотехнологичный уровень.

Стоит отметить, что радиофизики ТГУ имеют серьезный опыт создания детекторов для кольцевых ускорителей. Разработанные ими сенсоры инсталлированы в коллайдеры и синхротронные установки DESY (Германия), ESRF (Франция), CERN (Швейцария), SLAC (США), RAL (Великобритания), KEK (Япония). Добавим, что материаловедение является одним из сильнейших направлений ТГУ. Сейчас оно активно развивается при поддержке программы «Приоритет 2030».

Учёные ТГУ, как и многие другие российские исследователи, заинтересованы в реализации научных проектов на синхротроне СКИФ. В свою очередь, Томский государственный университет внесёт вклад в работу СКИФа в виде подготовки высокопрофессиональных кадров, для обучения которых химики и физики ТГУ сейчас разрабатывают специализированные образовательные программы.