Учёные Томского политехнического университета работают над созданием сцинтилляционных детекторов для одной из установок мегасайенс-проекта гамма-обсерватории TAIGA — TAIGA- Muon. Кроме того, политехники разработали испытательный стенд для калибровки сцинтилляционных модулей установки. В перспективе это позволит изучить природу происхождения и массовый состав космических лучей, а также решить другие задачи современной астрофизики.
Гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray and Gamma Astronomy) — проект разряда мегасайенс по строительству на территории Тункинского астрофизического центра коллективного пользования ИГУ крупнейшей гамма-обсерватории. Ее задача — регистрация частиц сверхвысоких энергий, приходящих из Вселенной. Полученные результаты позволят решить ряд фундаментальных задач астрофизики элементарных частиц и гамма-астрономии. Кроме того, сам процесс создания гамма-обсерватории дает возможность отработки новых технологий и решения задач наносекундной электроники, многопроцессорных систем сбора данных и так далее. Проект реализуется международной коллаборацией, головной организацией в которой выступает НИИ прикладной физики ИГУ. В 2023 году Томский политех присоединился к исследованиям по проекту TAIGA.
В Тункинской долине создается новая установка TAIGA-Muon, с помощью которой можно будет проводить исследования массового состава космических лучей (КЛ) с энергиями выше 1016 эВ и подавления адронного фона при регистрации высокоэнергетического гамма-излучения. Глобально эта установка сможет приблизить человечество к ответу о природе происхождения космических лучей таких огромных энергий и пониманию механизмов их распространения во Вселенной. Сегодня это одна из важнейших задач современной астрофизики. Предполагается, что площадь нового детектора составит порядка двух тысяч квадратных метров.
Основные проблемы, связанные с разработкой детекторов таких больших размеров, это достижение высокой однородности светосбора и точности определения времени прихода частицы. Чтобы преодолеть это ограничение, необходима разработка новых сцинтилляционных детекторов, которые бы с высокой точностью регистрировали излучение. Именно над решением этой задачи работают в Томском политехе,
— отмечает старший научный сотрудник лаборатории №33 ядерного реактора ТПУ Геннадий Дудкин.
На данный момент развернуто всего три кластера установки TAIGA-Muon. Каждый кластер в своем составе имеет восемь наземных сцинтилляционных детекторов для регистрации всех заряженных частиц широкого атмосферного ливня и восемь подземных на глубине 1,7 метра для регистрации мюонной компоненты. Счетчики геометрически расположены парами: наземные строго над подземными.
Ученые Томского политеха в проекте работают над созданием новой конструкции сцинтилляционного детектора с использованием спектросмещающих волокон (WLS) и кремниевых светоприемников (SiPM). Устройства должны обеспечивать неоднородность амплитудной зависимости сигнала по площади детектора не хуже 10 % и динамический диапазон линейности амплитуд сигналов не менее 100.
«Нами были разработаны три варианта сцинтилляционных детекторов. Один, с канавками на одной фронтальной поверхности сцинтиллятора для волокон WLS, сочлененных со светоприемником SiPM. Он – малогабаритный, с неоднородностью амплитудного отклика в 10 %. Четыре таких детектора, помещенные в один корпус площадью один квадратный метр, дадут неоднородность амплитудного отклика в 10 % и обеспечат необходимый диапазон линейности амплитуды не менее 100. Второй – крупногабаритный, с канавками на двух фронтальных поверхностях сцинтиллятора для волокон WLS, сочлененных с одним светоприемником SiPM. Третий – также крупногабаритный, состоит из сцинтилляционных гранул, которые находятся вокруг спектросмещающих волокон, свет из которых выводится на один SiPM. Необходимо выбрать оптимальный вариант детектора, исходя из условия «параметры - цена». Кроме того, принципиальным является разработка корпуса для детектора, исходя из того, что он должен работать «за окном», — добавляет Геннадий Дудкин.
Толщина сцинтилляционных детекторов, разработанных учеными ТПУ, может варьироваться от 27 до 30 миллиметров, а размеры от 500 мм до 1000 мм. Общий вес сцинтилляционной пластины, может достигать 36 килограммов, а самого детектора — до 52 килограммов. В перспективе в Томском политехе запустится мелкосерийное производство таких детекторов.