Chorwacja zwiększa swój potencjał w zakresie detektorów cząstek i promieniowania
Nowoczesne eksperymenty z zakresu fizyki jądrowej, fizyki cząstek elementarnych, a także fizyki cząstek kosmicznych są konieczne do zrozumienia zasad działania wszechświata. Prowadzenie takich eksperymentów wymaga jednak stosowania skomplikowanych detektorów, których projektowanie i testowanie wymaga dogłębnego zrozumienia zagadnień z dziedziny fizyki, elektroniki i obliczeń. Dzięki finansowanemu przez Unię Europejską projektowi PaRaDeSEC, Instytut Ruđera Boškovicia był w stanie zmodernizować swoją istniejącą infrastrukturę badawczą na potrzeby badania, opracowywania oraz testowania detektorów, czujników i powiązanych elementów elektronicznych. W 2018 roku, w czasie trwania projektu, Instytut zapoczątkował działalność Centrum Detektorów, Czujników i Elektroniki ( CDSE). Jednym ze składników mechanizmu finansowania było wsparcie transgranicznej mobilności pięciu międzynarodowych ekspertów Instytutu. Skuteczne budowanie synergii pomiędzy dotychczasowymi i nowo zatrudnionymi naukowcami, a także współpraca z szeregiem czołowych instytucji międzynarodowych pozwoliły na zwiększenie możliwości badawczych Instytutu Ruđera Boškovicia. Najważniejsze osiągnięcia Dzięki nawiązaniu współpracy z Helsińskim Instytutem Fizyki i Uniwersytetem Xiangtan w Chinach, zespół projektowy Instytutu prowadził prace nad opracowaniem nowej generacji detektorów półprzewodnikowych wykorzystujących kryształy tellurku kadmu w roli materiału wykrywającego, pozwalającego na bezpośrednią konwersję promieniowania rentgenowskiego i gamma. „Materiał ten skutecznie tłumi promieniowanie, co w rezultacie umożliwia osiągnięcie wyjątkowo wysokiej skuteczności wykrywania, nawet w przypadku cząsteczek wysokoenergetycznych. Wysoka czułość materiału pozwalająca na wykrywanie pojedynczych fotonów sprawia, że nowe czujniki sprawdzą się idealnie w zastosowaniach związanych z obrazowaniem medycznym i kwantowym bezpieczeństwem informacji”, zauważa kierownik projektu dr Neven Soić. Obecnie trwają prace nad specjalistycznymi typami detektorów krzemowych, takich jak między innymi krzemowe detektory dryfowe i detektory krzemowe, połączonych z licznikami scyntylacyjnymi. We współpracy z partnerami z Australii, Japonii, Słowenii oraz Portugalii naukowcy testują także czujniki oparte na węgliku krzemu, przeznaczone do wykrywania szybkich neutronów, które sprawdzą się doskonale w zastosowaniach związanych z kontrolą bezpieczeństwa. Szczególny nacisk położono na badania detektorów śledzenia torów cząstek. „Krzemowe detektory pikselowe umożliwiają śledzenie torów cząstek w rezultacie kolizji z najwyższą możliwą dokładnością. Dodatkowo charakteryzują się one niskim kosztem produkcji, ponieważ są wytwarzane przy pomocy narzędzi wykorzystywanych do produkcji układów scalonych”, wyjaśnia dr Soić. Zespół Instytutu Ruđera Boškovicia był odpowiedzialny za budowę i kalibrację 150 modułów pikselowych, które stanowią kluczowy element eksperymentu CMS – Compact Muon Solenoid prowadzonego przez CERN. Prace nad tymi modułami były prowadzone we współpracy z Instytutem Paula Scherrera w Szwajcarii. „Instytut Ruđera Boškovicia jest jednym z niewielu ośrodków zajmujących się produkcją krzemowych detektorów pikselowych następnej generacji”, dodaje dr Soić. Inne działania realizowane w ramach projektu skupiały się na opracowywaniu i rozwoju ulepszonych układów elektronicznych wykorzystywanych w celu do gromadzenia danych z czujników i detektorów. „Pojedyncze przypadkowe zakłócenia występują w przypadku, kiedy cząstki jonizujące lub wysokoenergetyczne fotony zderzają się z układami elektronicznymi i wpływają na ich stan. Pomimo tego, że zakłócenia te nie naruszają trwale funkcjonalności układu, stanowią one duży problem w otoczeniu dużych akceleratorów cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów”, zauważa naukowiec. Potężne rezultaty Realizacja projektu PaRaDeSEC umożliwiła Instytutowi Ruđera Boškovicia zakup dużej liczby urządzeń wymaganych przez laboratoria badawcze oraz zajmujące się modernizacją. Wśród przeprowadzonych w ramach projektu działań można wymienić między innymi rozwiązania pozwalające na zapewnienie czystości, stałej temperatury i wilgotności powietrza w pomieszczeniach, zwiększenie stabilności sieci elektrycznej, a także obniżenie poziomu szumu elektronicznego. Działania te pozwoliły na opracowanie oraz przetestowanie detektorów nowej generacji, charakteryzujących się dużo lepszymi osiągami i właściwościami w porównaniu z urządzeniami obecnie stosowanymi w ramach badań prowadzonych przez CERN. Postępy osiągnięte dzięki realizacji projekt przynoszą korzyści związane nie tylko z fizyką cząstek podstawowych oraz fizyką jądrową – pozytywne skutki odczuwają także naukowcy prowadzący badania podstawowe i stosowane w dziedzinach materiałoznawstwa, inżynierii, medycyny oraz nauk o środowisku. Nowo otwarte Centrum Detektorów, Czujników i Elektroniki przy Instytucie Ruđera Boškovicia pomoże także w realizacji projektu O-ZIP, związanego z projektem PaRaDeSEC. Projekt PaRaDeSEC pozwoli także na znaczną poprawę reputacji Instytutu Ruđera Boškovicia w kręgach naukowych na całym świecie i zwiększy udział jednostki w międzynarodowych projektach.
Słowa kluczowe
PaRaDeSEC, Instytut Ruđera Boškovicia, krzemowy detektor pikselowy, czujnik, pojedyncze przypadkowe zakłócenie, CERN, Chorwacja, Centrum Detektorów, Czujników i Elektroniki, detektor promieniowania, CMS
