俄罗斯科学家建成独特实验装置，用于研究对撞机与空间站关键元件的辐射老化问题
俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克尔核物理研究所（简称“核物理研究所”）的物理学家们成功研制了一套实验装置，用于研究高能...
俄罗斯科学院西伯利亚分院布德克尔核物理研究所（简称“核物理研究所”）的物理学家们成功研制了一套实验装置，用于研究高能物理探测器系统中关键元件的辐射老化现象。这一装置基于“VITA”加速器中子源（原为开发硼中子俘获疗法而设计），可模拟粒子加速器、对撞机以及空间站仪器在高辐射背景下的运行环境。在这种环境中，高能粒子会逐渐损坏设备，导致其性能下降，即所谓的“老化”现象。为了评估元件在辐射影响下的性能变化及其有效工作寿命，必须进行专门的辐射老化测试。
2025年，核物理研究所在VITA装置基础上建成了首个专用测试台。此前，该设备已于2022年成功用于测试欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的探测器组件，以及国际热核实验堆（ITER）的第一壁材料。2026年，核物理研究所计划与俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所（简称“列别杰夫物理研究所”）合作，共同发展用于研究硅光电倍增管（SiPM）辐射老化的基础设施和方法论基础。双方的合作协议目前已进入签署阶段。硅光电倍增管是一种高灵敏度的光子探测元件，广泛应用于现代粒子物理实验的探测系统中。
在高能物理学领域，对撞机是获取主要实验数据的关键装置。在对撞机中，被加速到接近光速的粒子束沿环形轨道运动并发生碰撞。碰撞时发生湮灭，释放出巨大能量，初始粒子转化为其他新粒子，从而帮助物理学家揭示微观世界的结构。碰撞区域设有探测器，用于记录所有物理过程和新粒子的产生。然而，这一区域也伴随着强烈的辐射背景。虽然对撞机配备了完善的生物防护设施以确保人员安全，但探测器系统的各个元件——尤其是位于碰撞区附近的敏感器件——会持续受到中子流（特别是能量在10–20兆电子伏特左右的快中子）的辐射损伤。
与主要被物质原子核俘获的热中子不同，快中子具有极强的破坏性，会直接损伤材料的晶格结构。以基于硅的固态光电倍增管（SiPM）为例，这类器件能够探测单个光子，广泛应用于粒子识别系统和量能器等探测器子系统中。在吸收光子时，SiPM会以较高概率产生电流脉冲，并由后续电子学系统记录。然而，在快中子辐照下，SiPM的性能会逐渐退化。
列别杰夫物理研究所固体物理学部高级研究员、物理数学科学副博士谢尔盖·维诺格拉多夫解释说：“SiPM对电离辐射几乎没有天生的防护能力。高能粒子会破坏硅的晶格，产生点缺陷或团簇缺陷，导致光子脉冲信号难以识别，信噪比恶化。最终，设备无法维持所需的能量分辨率或时间分辨率。对于SiPM而言，辐射损伤几乎是其性能退化的唯一主要原因。”
目前，尚无法显著提高硅光电倍增管的抗辐射能力，因此必须通过辐射老化测试来评估材料在电离辐射下的耐受性，并对受损伤器件的参数进行补偿和监测。2025年，核物理研究所开发并实现了测试台的首个版本。该测试台基于VITA装置——一个采用真空绝缘串联加速器和锂中子靶的加速器中子源。VITA装置最初是为硼中子俘获疗法（BNCT）而研制的，但其能力远不止于医学应用。
核物理研究所部门负责人、物理数学博士谢尔盖·塔斯卡耶夫回忆道：“VITA装置的主要任务当然是发展BNCT，但它也为我们开拓了其他研究方向。例如，我们利用该装置进行核反应截面的基础测量，以及测试有望在极端辐射条件下工作的材料——比如热核反应堆中的关键部件。2022年，来自大型强子对撞机CMS探测器合作组的请求对我们来说是一次挑战：他们不仅需要强大的快中子源，还需要我们连续一个月维持稳定的中子辐照。通过将氢束替换为氘束，我们成功产生了足够高通量的中子。在顺利为欧洲核子研究中心完成测试后，我们又使用同一装置为国际热核实验堆（ITER）辐照了碳化硼板。”
基于2022年成功的实验成果，核物理研究所证明了自身具备开展世界级辐射老化研究的能力。2023年，在与CMS合作项目结束后，研究所决定利用在VITA装置上积累的经验，建立一个专门用于研究硅光电倍增管辐射老化的实验台。之所以聚焦于SiPM，是因为它们是任何加速器探测器中不可或缺的基本敏感元件。2024年，研究团队制造出实验台的首个原型，并验证了其在快中子辐照下的工作性能。2025年，该实验台的第一个正式版本建成。
核物理研究所高级研究员、物理数学科学副博士维克托·博布罗夫尼科夫补充道：“了解你面前的SiPM在强辐射环境下的真实表现至关重要。虽然我们的工作始于为CMS服务，但对固态光电倍增管的辐射测试同样对俄罗斯本土的研究具有重要意义——因为核物理研究所正在计划建设新一代VEPP-6电子-正电子对撞机。此外，其他俄罗斯客户也有类似需求。2025年，我们完成了测试台的工作版本，并在原型机上验证了一系列测量方法。随后，我们对几款日本生产的SiPM进行了系统的辐射测试，研究了它们的噪声特性、击穿电压和光敏度随辐射剂量的变化规律。通过这些工作，我们完善了测量方法，并证明了该测试平台在研究SiPM辐射老化方面的有效性和可靠性。2026年，我们与列别杰夫物理研究所的同事们达成协议，将共同开发辐射测试方法，并深入研究在极端辐射环境下工作的固态光电倍增管。目前，该协议正处于签署阶段。”
在俄罗斯，包括列别杰夫物理研究所光电子学实验室在内的多个研究团队，长期从事硅光电倍增管的实验研究，开发测量方法并建立这类器件中光子探测过程的概率模型。谢尔盖·维诺格拉多夫指出：“开发新型结构是SiPM研究中最有趣也最困难的部分。遗憾的是，这类工作高度依赖于硅微纳加工设施的可获得性，而这在俄罗斯非常稀缺。我们几乎涉及SiPM的所有研究方向，而核物理研究所的辐射研究平台将极大地推动我们在这条道路上的进展。准确测量SiPM在辐射损伤下的关键参数，对于预测其在辐射环境中的实际工作寿命具有不可替代的价值。这不仅对高能物理对撞机实验至关重要，也广泛应用于空间科学研究、环境辐射污染监测等领域。核物理研究所的平台是一套独特的装置，它允许在VITA装置进行中子辐照的过程中，实时、连续地监测SiPM的状态和参数变化。据我所知，世界上其他地方还没有类似的能力。我认为，与核物理研究所合作，共同发展辐射老化研究的基础设施和方法论基础，是非常有前景且激动人心的。我还希望，这一合作未来能够催生出真正抗辐射的固态光电倍增管。”
2025年，核物理研究所在VITA装置基础上建成了首个专用测试台。此前，该设备已于2022年成功用于测试欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的探测器组件，以及国际热核实验堆（ITER）的第一壁材料。2026年，核物理研究所计划与俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所（简称“列别杰夫物理研究所”）合作，共同发展用于研究硅光电倍增管（SiPM）辐射老化的基础设施和方法论基础。双方的合作协议目前已进入签署阶段。硅光电倍增管是一种高灵敏度的光子探测元件，广泛应用于现代粒子物理实验的探测系统中。
在高能物理学领域，对撞机是获取主要实验数据的关键装置。在对撞机中，被加速到接近光速的粒子束沿环形轨道运动并发生碰撞。碰撞时发生湮灭，释放出巨大能量，初始粒子转化为其他新粒子，从而帮助物理学家揭示微观世界的结构。碰撞区域设有探测器，用于记录所有物理过程和新粒子的产生。然而，这一区域也伴随着强烈的辐射背景。虽然对撞机配备了完善的生物防护设施以确保人员安全，但探测器系统的各个元件——尤其是位于碰撞区附近的敏感器件——会持续受到中子流（特别是能量在10–20兆电子伏特左右的快中子）的辐射损伤。
与主要被物质原子核俘获的热中子不同，快中子具有极强的破坏性，会直接损伤材料的晶格结构。以基于硅的固态光电倍增管（SiPM）为例，这类器件能够探测单个光子，广泛应用于粒子识别系统和量能器等探测器子系统中。在吸收光子时，SiPM会以较高概率产生电流脉冲，并由后续电子学系统记录。然而，在快中子辐照下，SiPM的性能会逐渐退化。
列别杰夫物理研究所固体物理学部高级研究员、物理数学科学副博士谢尔盖·维诺格拉多夫解释说：“SiPM对电离辐射几乎没有天生的防护能力。高能粒子会破坏硅的晶格，产生点缺陷或团簇缺陷，导致光子脉冲信号难以识别，信噪比恶化。最终，设备无法维持所需的能量分辨率或时间分辨率。对于SiPM而言，辐射损伤几乎是其性能退化的唯一主要原因。”
目前，尚无法显著提高硅光电倍增管的抗辐射能力，因此必须通过辐射老化测试来评估材料在电离辐射下的耐受性，并对受损伤器件的参数进行补偿和监测。2025年，核物理研究所开发并实现了测试台的首个版本。该测试台基于VITA装置——一个采用真空绝缘串联加速器和锂中子靶的加速器中子源。VITA装置最初是为硼中子俘获疗法（BNCT）而研制的，但其能力远不止于医学应用。
核物理研究所部门负责人、物理数学博士谢尔盖·塔斯卡耶夫回忆道：“VITA装置的主要任务当然是发展BNCT，但它也为我们开拓了其他研究方向。例如，我们利用该装置进行核反应截面的基础测量，以及测试有望在极端辐射条件下工作的材料——比如热核反应堆中的关键部件。2022年，来自大型强子对撞机CMS探测器合作组的请求对我们来说是一次挑战：他们不仅需要强大的快中子源，还需要我们连续一个月维持稳定的中子辐照。通过将氢束替换为氘束，我们成功产生了足够高通量的中子。在顺利为欧洲核子研究中心完成测试后，我们又使用同一装置为国际热核实验堆（ITER）辐照了碳化硼板。”
基于2022年成功的实验成果，核物理研究所证明了自身具备开展世界级辐射老化研究的能力。2023年，在与CMS合作项目结束后，研究所决定利用在VITA装置上积累的经验，建立一个专门用于研究硅光电倍增管辐射老化的实验台。之所以聚焦于SiPM，是因为它们是任何加速器探测器中不可或缺的基本敏感元件。2024年，研究团队制造出实验台的首个原型，并验证了其在快中子辐照下的工作性能。2025年，该实验台的第一个正式版本建成。
核物理研究所高级研究员、物理数学科学副博士维克托·博布罗夫尼科夫补充道：“了解你面前的SiPM在强辐射环境下的真实表现至关重要。虽然我们的工作始于为CMS服务，但对固态光电倍增管的辐射测试同样对俄罗斯本土的研究具有重要意义——因为核物理研究所正在计划建设新一代VEPP-6电子-正电子对撞机。此外，其他俄罗斯客户也有类似需求。2025年，我们完成了测试台的工作版本，并在原型机上验证了一系列测量方法。随后，我们对几款日本生产的SiPM进行了系统的辐射测试，研究了它们的噪声特性、击穿电压和光敏度随辐射剂量的变化规律。通过这些工作，我们完善了测量方法，并证明了该测试平台在研究SiPM辐射老化方面的有效性和可靠性。2026年，我们与列别杰夫物理研究所的同事们达成协议，将共同开发辐射测试方法，并深入研究在极端辐射环境下工作的固态光电倍增管。目前，该协议正处于签署阶段。”
在俄罗斯，包括列别杰夫物理研究所光电子学实验室在内的多个研究团队，长期从事硅光电倍增管的实验研究，开发测量方法并建立这类器件中光子探测过程的概率模型。谢尔盖·维诺格拉多夫指出：“开发新型结构是SiPM研究中最有趣也最困难的部分。遗憾的是，这类工作高度依赖于硅微纳加工设施的可获得性，而这在俄罗斯非常稀缺。我们几乎涉及SiPM的所有研究方向，而核物理研究所的辐射研究平台将极大地推动我们在这条道路上的进展。准确测量SiPM在辐射损伤下的关键参数，对于预测其在辐射环境中的实际工作寿命具有不可替代的价值。这不仅对高能物理对撞机实验至关重要，也广泛应用于空间科学研究、环境辐射污染监测等领域。核物理研究所的平台是一套独特的装置，它允许在VITA装置进行中子辐照的过程中，实时、连续地监测SiPM的状态和参数变化。据我所知，世界上其他地方还没有类似的能力。我认为，与核物理研究所合作，共同发展辐射老化研究的基础设施和方法论基础，是非常有前景且激动人心的。我还希望，这一合作未来能够催生出真正抗辐射的固态光电倍增管。”
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