Аспирантура: и гайки, и фундаментальная физика


Аспирант Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) IV года обучения Максим Тимошенко работает старшим лаборантом в лаборатории №11. Эта лаборатория отвечает за функционирование электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000, глобальной целью которого является проведение экспериментов по физике элементарных частиц на детекторах КМД-3 и СНД. За работу на коллайдере ВЭПП-2000 Максим получил стипендию Правительства Российской Федерации. В День аспиранта он рассказал, чем занимается в ИЯФ СО РАН, и за какие работы получил престижную награду.

М. Тимошенко 1

О том, с чего всё началось

– В Институте ядерной физики я оказался в 2014 году, когда пришел делать дипломную работу в бакалавриат¬¬е НГУ. Тогда я учился на кафедре радиофизики ФФ НГУ, однако, вдохновившись лекциями Евгения Алексеевича Переведенцева в рамках курса «Циклические ускорители», в магистратуру в 2016 году перешел уже на Кафедру физики ускорителей.
ВЭПП-2000 – уникальный достаточно компактный (24 м в периметре) коллайдер с реализованной концепцией круглых пучков. Комплекс состоит из бустера БЭП и, непосредственно, коллайдера, а также канала перепуска между ними. Пучки электронов и позитронов поставляются другой большой установкой – Инжекционным комплексом ВЭПП-5. Коллайдер обладает рекордным для такой небольшой установки значением проектной светимости в 1х1032 см-2с-1.

О своей работе

– Своей значимой работой я считаю организацию системы измерения продольного распределения пучка на коллайдерном комплексе ВЭПП-2000, которую делал в рамках выпускной магистерской работы. Ее важной исследовательской частью стало измерение длины пучка в зависимости от его интенсивности, что дало представление о характере и величине суммарного импеданса вакуумной камеры бустера БЭП.
На комплексе я организовал работу трех систем: одна для бустера БЭП и две для наблюдения отдельно за электронами и позитронами в коллайдере ВЭПП-2000. Такая система основана на использовании фи-диссектора – электронно-оптического прибора, и регистрации им видимого спектра синхротронного излучения (СИ) пучка, по сути, света. Принцип работы прибора основан на том факте, что после преобразования фотокатодом диссектора светового импульса СИ пучка в электронный пучок внутри прибора, им уже можно управлять посредством электростатики, что позволяет развернуть пучок и наблюдать уже не временное распределение света, а пространственное распределение заряда.

М.Тимошенко 3
Иван Кооп и Максим Тимошенко 


О том, зачем такие сложности

– Загвоздка тут заключается в следующем: характерные длины пучков и в ВЭПП-2000, и в его бустере – это несколько сантиметров. Синхротронное излучение пучка повторяет формой распределение в нем частиц, а значит, его длительность составляет порядка 0,1 наносекунды! АЦП для измерения таких длительностей с приличным разрешением – очень сложные и дорогостоящие устройства. Вот и приходится выкручиваться. Здесь нужно учесть тот факт, что форма пучка в ускорителе является повторяемой от оборота к обороту, а диссектор работает в стробоскопическом режиме, то есть производит измерение небольших последовательно идущих частей пучка, измерение полного профиля пучка произойдет только за ~250 тысяч его оборотов в ускорителе. Получается, что диссектор предназначен для изучения относительно небыстрых процессов.

О том, как решалась основная задача

– Задача имела комплексный характер и состояла из следующих подзадач. Необходимо было установить уже имеющиеся, но не введенные в эксплуатацию диссекторы на выводы синхротронного излучения; обеспечить соединение источников питания приборов с самими приборами посредством кабелей; отладить работу этих источников питания; проверить работоспособность приборов, произвести их настройку и юстировку (наведение и фокусировку СИ пучка на рабочей поверхности прибора); разработать программное обеспечение для вычитывания данных из имеющегося АЦП, регистрирующего сигнал с диссектора; изучить теоретический аспект зависимости длины пучка от его интенсивности; обработать экспериментальные данные и извлечь из данных значение импеданса вакуумной камеры.

О работе в команде

– Естественно, я не единолично выполнял задачи, это нереально сделать в одиночку, здесь была нужна слаженная работа в команде и тесное взаимодействие с коллегами. Например, для установки приборов потребовалась помощь конструктора нашей лаборатории Юрия Михайловича Жаринова, который проектировал и заказывал в экспериментальном производстве ИЯФ необходимые детали для установки диссекторов (да и мне самому потребовалось подготовить несколько чертежей); для распайки разъемов высоковольтных кабелей я обращался к главному инженеру лаборатории Василию Павловичу Просветову; к отладке источников питания привлекался Григорий Яковлевич Куркин, специалист Лаборатории 6-2 в области высокочастотных радиоэлектронных систем; с разработкой программного обеспечения оказал неоценимую помощь Юрий Анатольевич Роговский, лидер команды диагностики ВЭПП-2000 (который тогда и руководил этой моей работой); в вопросах теории явления удлинения пучка я активно консультировался с Евгением Алексеевичем Переведенцевым, а также общался с Виталием Балакиным - моим однокурсником, также работавшим над измерением длины пучка с использованием фи-диссектора, только на ИК ВЭПП-5 (Сектор 5-12). При выполнении работы я также взаимодействовал, опять же, с однокурсником Владиславом Бориным, который занимался измерением продольного распределения частиц в пучке и на ВЭПП-2000, и на ВЭПП-5, только уже с использованием стрик-камеры. Мои результаты и результаты измерений Виталия Балакина сравнивались с этим принципиально отличающимся методом и показали хорошее соответствие.

О гайках и фундаментальных законах физики

– Мне потребовалось применить свои коммуникативные навыки для того, чтобы эта работа состоялась: привлечь коллег к задачам, в которых я был не компетентен, обменяться опытом с коллегами, которые занимаются схожими задачами. Наряду с этим потребовалось повысить компетентность в самых разных областях. Это и конструирование, и проектирование оптических систем, и передача высокочастотных сигналов большой амплитуды по длинной линии, и работа электронно-оптических приборов, в частности – диссектора, и разработка программного обеспечения, и анализ и обработка экспериментальных данных, а также такие фундаментальные вопросы, как физика пучка. Иными словами, моя работа состояла из обширного спектра подзадач – от кручения гаек и монтажа до изучения физических законов поведения пучка в электромагнитном поле. Все это дополнилось умением доходчиво рассказать о работе общественности. Во-первых, нужно было представить работу на защите магистерской диссертации. Во-вторых, простым языком презентовать новизну и привлекательность работы на конференциях при общении со специалистами из смежных областей, а именно на IBIC-2017 и RuPAC-2018. Эту работу можно считать завершенной: в настоящее время эти три фи-диссектора успешно функционируют и дальше на комплексе ВЭПП-2000.

М. Тимошенко 2

О задачах в аспирантуре

– Сейчас, в аспирантуре, я занимаюсь двумя задачами. Это изучение времени жизни пучка в циклическом ускорителе, а именно на комплексе ВЭПП 2000, и организация системы пооборотного измерения поперечного профиля пучка (короткое название системы – ФДЛ, она основана на использовании линейки лавинных фотодиодов).
Первая задача больше теоретическая и актуальна она тем, что время жизни пучка определяет частично один из важнейших параметров коллайдера – светимость. На ВЭПП-2000 достигнуто пока только половинное значение от проектной светимости. Есть предпосылки полагать, что если какими-либо способами удастся увеличить время жизни пучка, то получится увеличить и светимость. На данном этапе исследуется возможность составить аналитическую модель, которая учитывала бы все аспекты изменения времени жизни в зависимости от интенсивности пучков. В данный момент же широкое распространение имеют только численные методы для определения этой зависимости.

Вторая задача относится к диагностике пучка. На ВЭПП-2000 имеются измерители поперечных размеров пучка и его положения относительно равновесной орбиты – это ПЗС-камеры и пикапы соответственно. ПЗС-камеры дают просуммированную за множество оборотов картину профиля и положения пучка – не видно быстропротекающих процессов, а пикапы дают информацию лишь о положении центра масс пучка каждом из последовательно идущих оборотов, ничего не говоря о профиле. Система ФДЛ для пооборотных измерений профиля пучка позволит дать более полную информацию о динамике пучка, что гипотетически позволит проводить новые для ВЭПП-2000 эксперименты в области физики ускорителей.

О дежурствах

– Есть еще отдельный вид работы в составе коллектива лаборатории – это дежурства по комплексу. Вообще, коллайдер функционирует круглые сутки примерно 10 месяцев в году, в течение которых производится набор огромного количества данных детекторами. От дежурного ВЭПП-2000 требуется оптимизировать на ходу параметры комплекса, чтобы обеспечить максимально возможную эффективность набора данных, что означает наличие интенсивных электронного и позитронного пучка в коллайдере, при этом имеющих требующиеся для эксперимента параметры.

ИЯФ 520 С. Ерыгина
ВЭПП-2000. Фото - С. Ерыгина

Об участии в конференциях

– О работе лаборатории докладывается, как правило, на ежегодных научных сессиях ИЯФ, а также на различных конференциях. Мне даже было доверено представлять такие доклады о статусе и перспективах, а также о самых интересных исследованиях, проводимых на ВЭПП-2000, на семинаре памяти В.П. Саранцева в 2019 году и на RuPAC в 2021 году.

… и немного о самой стипендии

– решение о назначении стипендии, насколько я осведомлен, принималось Стипендиальной комиссией ИЯФ СО РАН. Я хотел бы поблагодарить Комиссию и своего научного руководителя Дмитрия Борисовича Шварца за выказанное поощрение и доверие.