Магистрант Новосибирского госуниверситета разработала детектор фотонов для СКИФа

Однокоординатный детектор прямого счета фотонов SciCODE не имеет российских аналогов и дает возможность полностью подавлять шумы при регистрации фотонов рентгеновского диапазона. Благодаря этому разработка найдет применение в сфере синхротронных исследований, в том числе направленных на разработку новых материалов.

Программное обеспечение для системы синхронизации и детектора экспериментальной станции на источнике синхротронного излучения разработала магистрант 2 курса кафедры физико-технической информатики и Физического факультета Новосибирского государственного университета Мария Ярцева. Данные устройства будут установлены на одной из станций Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). Свои работы она проводила в составе научного коллектива лаборатории Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, который специализируется на разработке детекторов для экспериментов с использованием синхротронного излучения. Научное руководство осуществляли главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Лев Шехтман и научный сотрудник ИЯФ СО РАН Василий Кудрявцев. Данная работа выполнялась в рамках стратегического технологического проекта «Центр интеграции персонифицированной биомедицины, фармации и синхротронных, бинарных технологий».

— Моя задача состояла в создании специализированного программного обеспечения для детектора прямого счета фотонов, которое позволяло управлять данным устройством — снимать данные, осуществлять его настройку и калибровку, а также для блока синхронизации — чтобы генерировать сигналы управления в зависимости от происходящих событий во время эксперимента на станции, — рассказала Мария Ярцева.

Пользовательские программы разрабатывались на языке С++ с использованием фреймворка Qt в среде разработки Qt Creator, а код ПЛИС – SystemVerilog в среде Quartus Prime. Для отладки написанных модулей использовалась среда моделирования ModelSim. Разработка всех программ проводилась под операционную систему Linux.

Однокоординатный полупроводниковый детектор прямого счета фотонов SciCODE не имеет российских аналогов. Он разработан на замену газового детектора ОД-3М, созданного в ИЯФ СО РАН в конце 90-х годов прошлого века. Новое устройство обладает большим быстродействием и высоким пространственным разрешением, оно предназначено для проведения исследований с использованием дифракционных методов. Известны аналогичные детекторы производства Швейцарии, однако детектор прямого счета фотонов SciCODE от них отличается возможностью более точно измерять энергию фотонов.

Помимо данного детектора в ИЯФ СО РАН в настоящее время разрабатывается целая линейка детекторов, которые также будут использоваться на одной из станций СКИФ. Отдельные части и модули кода уже написаны или позаимствованы из уже существующего программного обеспечения детекторов, ранее созданных научными сотрудниками ИЯФ СО РАН.

— Однокоординатный детектор прямого счета фотонов SciCODE представляет собой довольно универсальную разработку. Его можно использовать для изучения физических процессов и химических реакций с использованием дифракционных методов, например, в экспериментах по созданию фармацевтических препаратов или при исследованиях поведения сложных молекул. Детектор состоит из полупроводникового сенсора на основе кремния или арсенида галлия. Он установлен на регистрирующей плате, которая также была разработана в ИЯФ СО РАН. Регистрация данных, получаемых в ходе экспериментов, производится специализированными чипами. Управлением данных микросхем занимается установленная на управляющей плате программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), а обмен данными с компьютером происходит по Ethernet-интерфейсу, — пояснила Мария Ярцева.

Прототип программного обеспечения данного детектора в настоящее время находится на стадии доработки отдельного функционала и проходит тестирование в лабораторных условиях.

Блок синхронизации будет установлен на той же станции СКИФ, что и детекторы. Он станет координировать работу СКИФ, станции и регистрирующих устройств. Работы по его изготовлению, монтажу завершены. На экспериментальной станции в Центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» ИЯФ СО РАН проведено тестирование устройства в условиях эксперимента.

— Основные работы завершены, дальнейшее развитие данного проекта заключается в создании единой системы, которая управляла бы и системой блока синхронизации, и системой детекторов в ходе экспериментов. В блоке синхронизации также установлена плата с ПЛИС, а взаимодействие с программным обеспечением обеспечивается таким же образом, что и в случае с детекторами. Данный прибор может быть установлен на любой исследовательской станции, где требуется синхронизировать работу нескольких устройств, — сказала Мария Ярцева.