Коллектив и его дело

Лаборатория тестирования фотодетекторов ЛЯП:
новые планы в обновленном здании

В новогоднем номере мы начали знакомство с преобразившимся зданием лаборатории тестирования фотодетекторов ЛЯП. Здесь располагается сектор методических исследований научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц ЛЯП, которым руководит Зиновий Владимирович Крумштейн. Об экспериментах в области физики частиц, для которых разрабатываются детекторы, о том, как создаются сами детекторы, рассказал нашему корреспонденту Ольге Тарантиной научный сотрудник сектора, ответственный за лабораторию тестирования фотодетекторов, Николай Владимирович АНФИМОВ.

Калориметр для COMPASS

- Модернизация установки COMPASS (общая мюонная и протонная установка для изучения структуры и спектроскопии адронов в ЦЕРН), в которой активно участвует ОИЯИ, предусматривает создание нового электромагнитного калориметра ECAL0, который должен регистрировать частицы, летящие из мишени под большими углами. Этот калориметр будет расположен вблизи магнита, а места для него там не так много - полметра по глубине. Кроме того, не всякий прибор сможет работать в остаточном магнитном поле, которое там присутствует. Исходя из этого, мы решили, что калориметр должен иметь компактную модульную структуру типа "шашлык", имеющую более сотни слоев сцинтиллятор/свинец, пронизанных волокнами, в которых собирается свет. В качестве основной новинки мы впервые предложили регистрировать свет в этих модулях при помощи микропиксельных лавинных фотодиодов (МЛФД), хорошо работающих в магнитном поле. Это очень современный прибор, который сейчас начинает применяться в разных приложениях, в том числе в медицине - в позитронно-эмиссионной томографии. Разработкой самих МЛФД сейчас занимаются многие фирмы во всем мире, в том числе такие известные, как HAMAMATSU, но отрадно, что первые конструкции МЛФД были предложены еще 20 лет назад сотрудником ОИЯИ Зираддином Якубовичем Садыговым.

Младший научный сотрудник ЛЯП Тарас Владимирович Резинько
объясняет принцип работы электромагнитного калориметра типа "шашлык".

Конструкцию нашего калориметра мы предложили также для электромагнитного калориметра установки MPD NICA. Таким образом, калориметр для COMPASS стал интегральным испытанием всех элементов конструкции подобного детектора.

Механическая часть модулей была разработана нами совместно с Институтом сцинтилляционных материалов (Харьков), изготовлена там и уже поставлена в COMPASS, а сборка и проверка блоков регистрации сейчас завершается в ЛЯП в этом здании. Автор конструкции модулей и блоков детектирования - наш научный сотрудник Игорь Евгеньевич Чириков-Зорин, который вместе с Вячеславом Владимировичем Чалышевым собирает наиболее сложные части блоков детектирования. Им активно помогает коллектив из молодых сотрудников: Александр Селюнин, Тарас Резинько, Арсений Рыбников, Дмитрий Федосеев и Александр Антошкин вместе со старшими коллегами - Михаилом Никитиным и Владиславом Кудрявцевым.

Арсений Владимирович Рыбников и Тарас Владимирович Резинько
тестируют высоковольтные платы для блоков регистрации калориметра ECAL0.

В чистой комнате мы выполняем этап окончательной сборки с последующей калибровкой блоков регистрации, а заодно тестируем платы и программное обеспечение для управления ECAL0, которое разработал наш инженер-программист Василий Громов. Важно проверить, как все будет вместе работать. Прежде мы собрали несколько модулей для адронной части калориметра ZDC NICA. Они весят около 100 кг, поэтому для удобства мы установили кран-балку, оборудовали комнату с запасом.

Нейтринная физика. Эксперимент NovA...

Как известно, одно из основных направлений научных исследований ЛЯП - нейтринная физика. Этот предмет очень многогранен, и в лаборатории ведется много работ на этом направлении. В частности, в рамках темы "Исследование нейтринных осцилляций" ОИЯИ участвует в международных экспериментах NOvA и JUNO. Руководят темой заместитель директора ЛЯП Дмитрий Вадимович Наумов и начальник отдела Александр Григорьевич Ольшевский.

Эксперимент NOvA, нацеленный на измерение иерархии масс и нарушения СР-четности у нейтрино, начался около года назад. Устроен он следующим образом. Пучок мюонных нейтрино формируется в ускорителе национальной лаборатории имени Э. Ферми (Фермилаб, США). Превращение мюонных нейтрино в электронные за счет эффекта нейтринных осцилляций наблюдается при сравнении потоков нейтрино, регистрируемых в ближнем и дальнем (расположенном на расстоянии 810 км) детекторах NOvA. Дальний детектор выглядит довольно масштабно - 60 м в длину с поперечником 16х16 кв. м. Он состоит из 340 тысяч поливинилхлоридных трубок, в которые залит жидкий сцинтиллятор. Современная электроника позволяет считывать сигнал с каждой трубки отдельно. Для этого используются лавинные фотодиоды, сигнал с которых усиливается и обрабатывается. Фотодиоды размещаются не индивидуально, а по 32 штуки на одной плате, с которой сопрягается 32-канальная электроника считывания.

Стенд для проведения измерений с электроникой эксперимента NOvA.

Актуальной задачей в такой схеме является точное измерение параметров электроники, в частности влияние срабатываний в одном канале на соседние. Это исследование было поручено нам, и я сначала провел измерения в Фермилабе. Затем было решено продолжить их в Дубне, однако задача создания стенда в ОИЯИ оказалась непростой - пришлось бы везти довольно громоздкую стойку, с кучей проводов и дополнительной электроники, которой, кстати, после монтажа детектора осталось в запасе не так много. Тогда я связался с автором этих плат, и оказалось, что можно их перепрограммировать так, чтобы одна плата стала считывать другую. В результате мы сделали очень компактный стенд, умещающийся на столе. Если бы не помощь Альберта Сотникова, то, вряд ли удалось бы запустить стенд - Альберт очень помог в настройке программного обеспечения. Все механические работы были проведены нашим талантливым молодым инженером Дмитрием Федосеевым.

Измерения были проведены, и полученные нами результаты сыграли важную роль в разработке алгоритмов последующей обработки сигналов детектора NOvA. В настоящий момент в коллаборации NOvA сформирована целая программа измерений для нашего дубненского стенда, которая позволяет уточнить особенности регистрации в детекторе экзотических сигналов (например, при поиске монополя, сверхновой). То есть наш стенд оказался очень полезным и востребованным.

Другая важная работа по NOvA, выполненная в ОИЯИ, - создание удаленного центра управления экспериментом. Этот центр также находится в нашем здании. В этом эксперименте часть дежурств и контроля установки проводится удаленно, из американских центров. Центр в ОИЯИ стал первым и пока единственным за пределами США, который был подготовлен и полностью прошел процедуру сертификации. Настройкой оборудования занимался начальник сектора и заместитель руководителя проекта NOvA в ЛЯП Олег Борисович Самойлов. При сертификации центра, кстати, важную роль сыграл наш сотрудник - американский гражданин Кристофер Кулленберг, который имел наибольший опыт дежурств в Фермилабе. Преимущества создания центра мы и наши коллеги оценили сразу. Главное, что он позволил вовлечь в реальную работу весь коллектив, включая молодых сотрудников, студентов, не ограничивая их только временем командировок, которые часто сопряжены с визовыми, финансовыми и другими трудностями. Удачным оказалось и то, что "неудобные" американские ночные смены для нас вполне удобны из-за разницы во времени. Работа центра идет полным ходом, в частности, по правилам коллаборации, в дежурствах может принимать участие только предварительно обученный и проверенный персонал. Я некоторый опыт получил еще в Фермилабе, поэтому мне для подтверждения нужно было отработать только одну смену параллельно со сменщиком в США. А наш аспирант из Белоруссии Александр Антошкин должен провести три тренировочных смены, чтобы стать сертифицированным дежурным. Он также очень активно участвует в измерениях на стенде. Надеюсь, он сделает хороший материал для своей будущей диссертации.

Удаленная комната управления эксперимента NOvA:
Николай Владимирович Анфимов и Александр Игоревич Антошкин.

Хорошее знание установки, приобретаемое во время смен, принципиально важно и для людей, занимающихся анализом данных эксперимента NOvA. У нас в ОИЯИ таких довольно много: Анастасия Большакова, Александр Долматов, Людмила Колупаева, Ольга Петрова, Олег Самойлов, Игорь Шандров, Андрей Шешуков и другие. Насколько я вижу по докладам на совещаниях коллаборации, их работа тоже очень востребована. В ОИЯИ для анализа данных NOvA созданы довольно хорошие условия: в ЛИТ выделены ресурсы для грид и облачных вычислений, которые включены в общий ресурс NOvA и обеспечивают работу с актуальным математическим обеспечением эксперимента. Большая благодарность за это дирекции ЛИТ и Никите Балашову, который занимается этой важной работой.

...и разработки для JUNO

Эксперимент JUNO должен начаться в 2020 году, и сейчас полным ходом идет подготовка аппаратуры для уникального детектора. Отвечают за JUNO в ЛЯП Дмитрий Вадимович Наумов и Максим Олегович Гончар. Сам детектор JUNО планируется расположить на юге Китая на расстоянии 53 км от двух комплексов атомных электростанций, в каждом из которых по 6 реакторов с термальной мощностью 3 ГВт каждый. Огромный уникальный детектор в виде сферы диаметром 35 м, в которую зальют 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора, позволит с беспрецедентной чувствительностью изучать осцилляции реакторных нейтрино на больших расстояниях и ответить на вопрос об иерархии масс этих частиц.

Детектор будет просматриваться 18 тысячами ФЭУ диаметром 50 см каждый. Мы купили два, чтобы проводить методические исследования, - один такой ФЭУ японского производства (HAMAMATSU) стоит около 5000 евро. Понятен масштаб проекта - это сотни миллионов долларов. Возможной альтернативой японским ФЭУ могут быть произведенные в самом Китае. Надеемся в скором времени получить от них первые опытные образцы для проведения измерений. Наша лаборатория позволяет проводить самые детальные измерения, но в первую очередь мы хотим отработать методику максимально простых тестов для массовой проверки ФЭУ, все-таки проверить 18 тысяч штук - непростая задача. Мы сейчас вместе с коллегами из Германии подали по этой теме заявку на совместный грант. Основной вопрос, можно ли адекватно оценить все характеристики фотоумножителей, размещая их по 40 штук в специальные контейнеры, как предлагают наши немецкие коллеги. Кроме того, большие ФЭУ очень чувствительны к магнитному полю Земли. Мы сделали в темной комнате специальную защиту, компенсирующую это поле, так что можно будет сравнить измерения с полем и без него.

Дмитрий Веславович Федосеев устанавливает 50-сантиметровый ФЭУ фирмы HAMAMATSU в сканирующую станцию.

Если фотоумножители такие большие - 50 см в диаметре, а мы должны наладить их массовое тестирование, то большой черной коробкой не обойтись, нужна темная комната. И мы ее создали. Сейчас в этой комнате расположена установка для автоматического сканирования ФЭУ. Эта установка полностью - от идеи до реализации - выполнена в ОИЯИ. Она получилась настолько продвинутой, что у нас уже выстроилась очередь из институтов-участников JUNO, желающих получить такую же для своих исследований. Опять же упомяну Дмитрия Федосеева, который очень постарался при проектировании установки, а для того чтобы все управлялось и анализировалось автоматически на компьютере, отлично потрудились наши программисты Алексей Красноперов и Денис Кораблев. В основе установки - вращающаяся дуга с несколькими светодиодными импульсными источниками света. На вид простые, эти источники света представляют собой очень сложный прибор: они имеют цифровую систему контроля и стабилизации света. Эта разработка фирмы HVSYS специально для экспериментов COMPASS и NICA, а теперь мы ее успешно применили и для тестирования ФЭУ. С помощью этой сканирующей станции можно снять полностью всю карту характеристик поверхности фотокатода ФЭУ. Мы сможем посмотреть, однородны ли они и насколько однородны. Для JUNO это особенно важно, потому что в этом эксперименте требуется уникальное энергетическое разрешение для таких жидкосцинтилляционных детекторов - 3 процента на 1 МэВ выделенной энергии. В связи с этим нужно как можно скорее получить картинку неоднородностей характеристик ФЭУ, чтобы заложить их в компьютерную модель и понять, какой эффект будут давать неоднородности.

Сканирующая станция с установленным фотоэлектронным умножителем.

Мы хотим не только разработать методику тестирования ФЭУ. Еще одна задача - система высоковольтного питания для этих ФЭУ. Поскольку все будет размещаться в воде, то не хотелось бы связываться с дорогостоящими высоковольтными проводами. В итоге мы предложили сделать компактный источник высокого напряжения прямо на цоколе ФЭУ, избегая дорогих высоковольтных кабелей. Финансово это решение будет нашим самым большим вкладом в этот эксперимент. Интересно, что наше предложение по типу высоковольтного источника питания привело к тому, что существенная часть электроники, обрабатывающей сигналы с умножителей и передающей их дальше, будет расположена также непосредственно рядом с цоколем. Таким образом, обработка сигналов на ФЭУ в эксперименте JUNO будет довольно инновационной. Отвечает за высоковольтную систему Андрей Борисович Садовский.

Еще мы хотим попробовать разработать систему защиты от магнитного поля Земли. Для этого есть несколько вариантов, и мы их будем исследовать в темной комнате. Мы попросили специалистов по магнитам рассчитать, чтобы в центре комнаты в объеме 2х2х2 куб. м при включении тока в катушках Гельмгольца земное магнитное поле почти полностью бы компенсировалось. За расчеты, кстати, огромное спасибо Николаю Анатольевичу Морозову.

Большая работа предполагается и по вето-системе JUNO, в которой мы участвуем на основе опыта, приобретенного в эксперименте OPERA, и детекторов, сделанных в свое время для этого эксперимента. Юрий Алексеевич Горнушкин, Андрей Садовский, Алексей Красноперов и другие сейчас готовят работу с прототипом этого детектора.

Матрицы для ПЭТ

Прототип матрицы 8х8 из микропиксельных лавинных фотодиодов для позитрон-эмиссионной томографии.

Есть еще одно интересное направление - это позитронно-эмиссионная томография. Мы пытались этим заниматься, и может, вернемся к этому направлению в будущем. Кстати, по этой теме были написаны отличные дипломные работы студентом Костромского госуниверситета Александром Селюниным, который у нас трудится и по сей день, и студенткой МГУ Евгенией Федоровой. Этот метод, к сожалению, плохо развит в России. В стране, по-моему, наберется только с десяток ПЭТ-центров. В томографах для регистрации гамма-квантов используются неорганические сцинтилляторы на основе ортосиликата лютеция. Есть известные в мире производители томографов, и, спрашивается, как мы можем в этом деле участвовать? Поскольку мы занимаемся микропиксельными лавинными фотодиодами, то возникла идея использовать их в томографе. По крайней мере, попробовать сделать детектирующий блок, не замахиваясь на целый томограф, и изучить его. Полупроводниковые фотодетекторы нечувствительны к сильным магнитным полям, очень компактны и не искажают поле томографа. Можно было бы попробовать совместить позитронно-эмиссионную томографию с магнитно-резонансной. У нас даже были совместно с компанией Zecotek, имеющей производства в Малайзии и Сингапуре, разработаны матрицы 8х8 из чипов фотодиодов. Мы активно в этом участвовали, в частности, я разработал методику тестирования чипов на пластине и снятия карт пластин, чтобы сразу можно было отбирать чипы с одинаковыми характеристиками для матриц.

Особо хотелось бы отметить нашего уважаемого начальника сектора Зиновия Владимировича Крумштейна. Без его руководства, чуткого отношения, грамотных советов и наставничества при проведении всех вышеперечисленных работ вряд ли что-либо вообще удалось бы осуществить. Насколько я знаю, созданием нашего лабораторного комплекса дело не ограничится. В новом году планируется ремонт и переоборудование корпуса №4. Там будет создан целый ряд новых лабораторий. Надеюсь, в скором времени многие наши коллеги тоже смогут похвастаться своими современными лабораториями.