Новосибирские ученые первыми в мире испытали детектор ионов на ускорительном спектрометре

Время-проекционная камера применяется как детектор в физике частиц, в том числе для поиска темной материи. Научные сотрудники Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» его испытали впервые и уже получили первые результаты.

В 2023 году эта время-проекционная камера впервые была установлена на отечественный ускорительный масс-спектрометр, который сделан и обслуживается Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и находится в ЦКП «Геохронологии кайнозоя» Института археологии и этнографии СО РАН. Она была успешно протестирована на пучке ионов 14С с энергией 4 МэВ и показала себя работоспособной. Позднее данная камера была протестирована на пучке ионов 14С с энергией 0,4 МэВ на УМС MIKADAS. При благополучном прохождении экспериментов, в дальнейшем будет создана меньшая по размеру ВПК для установки на прототип первого отечественного низковольтного универсального ускорительного масс-спектрометра, который создается учеными НГУ в рамках программы «Приоритет — 2030».

Время-проекционная камера (ВПК) — в приложении к ускорительной масс-спектрометрии это методика идентификации тяжелых ионов низких энергий, основанная на измерении их длин пробегов в газе.  Принцип работы следующий: ионы залетают внутрь камеры через тонкое входное окно. Далее они теряют энергию за счет ионизационных потерь. В результате вдоль трека образуется след из ионов газа и электронов. Эти электроны под действием внешнего электрического поля дрейфуют в газе с постоянной скоростью в направлении ГЭУ, где происходит их усиление. В конце усиленные электроны собираются на коллектор и оцифровываются системой сбора данных. Таким образом, время сбора электронов соответствует длине пробега иона. 

Ускорительный масс-спектрометр MICADAS, в отличие от мультиизотопного отечественного, направлен только на обнаружение и определение количества редкого изотопа С14 в исследуемых образцах. Ионы С14 проходят весь ускорительный масс-спектрометр и затем попадают в газовый детектор, где происходит их идентификация и подсчет. «В ускорительных масс-спектрометрах устанавливаются различные типы детекторов. Например, на УМС MICADAS стоит ионизационная камера. Ее мы и заменили время-проекционной камерой. Одной из важных частей ионизационной камеры MICADAS является предусилитель. Если он выйдет из строя, MICADAS остановится, и придется либо приобретать новый предусилитель, что в сложившихся обстоятельствах очень затруднительно», — сказал инженер Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» Алексей Петрожицкий.

Важно, что у ионизационных камер есть один существенный недостаток — они работают в таком режиме, когда отношение сигнала к шуму далеко не оптимальное. К тому же предусилитель очень требователен к электронике, в отличие газового анализатора, которым укомплектована время-проекционная камера. «В нашем детекторе мы усиливаем сигнал с помощью газового электронного умножителя, который существенно снижает требования к электронике системы сбора данных. К тому же наша ВПК выдает гораздо лучшее соотношение «сигнал-шум», проста в изготовлении, эксплуатации и ремонте», — прокомментировала младший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, Центра коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ—ННЦ» Тамара Шакирова.

Ученым необходимо было найти ответ на вопрос -можно ли использовать ВПК в качестве детектора ионов 14С с энергией 0,4 МэВ. И в ходе работы пришли к положительному ответу. Они уверены, что разработанную нами время-проекционную камеру можно использовать в качестве финального детектора на первом отечественном универсальном низковольтном ускорительном масс-спектрометре, над созданием которого сейчас работают.

В настоящий момент испытания время-проекционной камеры на MICADAS проводятся на двух типах образцов: стандартный образец ANU (IAEA-C6, сахар) c содержанием 14С, с близким к современному уровню и «бланк» (полиэтилен CH — стандарт Elemental Microanalysis B2024) c содержанием 14С 0,002 от современного уровня. Целью испытаний является оптимизация рабочих параметров: давление рабочего газа, коэффициент усиления, скорость дрейфа электронов. «Мы собрали достаточный объем данных, а в настоящее время занимаемся их обработкой и анализом. Главное, убедились, что время-проекционная камера работает в ожидаемом нами режиме и выдает четко читаемые сигналы выше фоновых значений. Заведомо можно сказать, что С14 мы по ним читать можем, что вполне подходит для проведения радиоуглеродного анализа образцов», — сказал Алексей Петрожицкий.