View message

Німецький фонд досліджень (Deutsche Forschungsgemeinschaft – DFG) надав фінансову підтримку (близько чверті мільйона євро) спільному німецько-українському проєктові «Дослідження можливості використання кристалів для виведення електронів з енергією 6 ГеВ у DESY» (2024–2025 роки). Керівник проєкту – провідний науковий співробітник, виконуювач обов’язків начальника відділу електродинаміки високих енергій у речовині Інституту теоретичної фізики ім. О.І. Ахієзера Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» (ННЦ «ХФТІ») кандидат фізико-математичних наук Сергій Фомін, який тимчасово працює у Німецькому електронному синхротроні (Deutsches Elektronen-Synchrotron – DESY) як запрошений дослідник; співкерівник проєкту з української сторони – провідний науковий співробітник цього ж відділу доктор фізико-математичних наук Ігор Кириллін; відповідальні виконавці – генеральний директор ННЦ «ХФТІ», академік-секретар Відділення ядерної фізики та енергетики НАН України академік Микола Шульга, провідні наукові співробітники відділу електродинаміки високих енергій у речовині Інституту теоретичної фізики ім. О.І. Ахієзера ННЦ «ХФТІ» доктори фізико-математичних наук Сергій Трофименко і Микола Бондаренко, старший науковий співробітник цього відділу кандидат фізико-математичних наук Валентин Трутень, науковий співробітник відділу доктор філософії з природничих наук Максим Маловиця, а також група німецьких учених та інженерів DESY. Проєкт реалізується на основі передбаченого в ННЦ «ХФТІ» механізму Гриненка-Шульги – стохастичного механізму відхилення заряджених частинок зігнутим кристалом. Німецькі рецензенти проєкту особливо відзначили оригінальність запропонованого методу.

Мета проєкту – створити тестовий електронний канал на найбільшому в Європі Німецькому електронному синхротроні (DESY), який зараз перебуває на важливому етапі чергової реконструкції (PETRA IV) і найближчими роками стане найпотужнішим у світі джерелом рентгенівського випромінення – 3D-рентгенівським мікроскопом із високою роздільною здатністю (аж до атомних масштабів).

Ідея цих досліджень виникла влітку 2022 року – під час німецько-українського вебінару DESY-Ukraine, головною метою якого був пошук напрямів можливої співпраці між ученими двох країн і шляхів підтримки наукових установ Сходу України, що на той час найбільше постраждали від російської агресії. Про свої наукові здобутки на тому заході розповіли провідні вчені ННЦ «ХФТІ», а також Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Радіоастрономічного інституту НАН України, Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України (Харків) та Інституту прикладної фізики НАН України (Суми). Більшість науковців із DESY вперше познайомилися з українськими колегами-фізиками і були вражені широтою їхніх наукових інтересів і високим рівнем результатів їхніх досліджень.

На тій зустрічі доктор фізико-математичних наук Ігор Кириллін виступив із доповіддю про використання зігнутих кристалів для керування пучками швидких заряджених частинок. Як відомо, цю тематику, але в ширшому контексті, розвивають у ННЦ «ХФТІ» вже понад пів століття, а одержані там теоретичні й експериментальні результати відомі фахівцям у всьому світі й двічі відзначені Державною премією України у галузі науки і техніки (2002 року і 2012 року).

Явище каналювання релятивістських електронів і позитронів у кристалі вперше у світі спостерегли в ХФТІ на прискорювачі ЛУЕ-2 ГеВ наприкінці 1960-х років. До речі, саме з теоретичного пояснення вкрай незвичайної поведінки орієнтовних залежностей випромінення електронів і позитронів у кристалі, спостережених у цих експериментах, розпочалася наукова кар’єра академіка Миколи Шульги. Разом з академіком Олександром Ахієзером (1911–2000) вони створили квазікласичну теорію когерентного гальмівного випромінювання канальованих і надбар’єрних електронів і позитронів у кристалі, передбачили низку ефектів під час взаємодії частинок великих енергій з речовиною, більшість з яких пізніше було підтверджено в експериментах на прискорювачах Національної лабораторії прискорювачів SLAC у Стенфорді (США), Європейської організації з ядерних досліджень (CERN, Швейцарія) та інших.

Одним із теоретичних передбачень харківських фізиків став стохастичний механізм відхилення пучків швидких заряджених частинок за розсіювання на ланцюжках атомів зігнутого кристалу, що дістав назву механізму Гриненка–Шульги. На відміну від площинного каналювання, запропонованого раніше для відхилення пучків протонів високих енергій, механізм Гриненка-Шульги дає змогу відхиляти не лише позитивно, а й негативно заряджені частинки.

Саме тому, щоб реалізувати повільне виведення електронів на синхротроні PETRA IV у DESY, виконавці німецько-українського проєкту зроблять ставку на використання запропонованого в ННЦ «ХФТІ» механізму Гриненка–Шульги, ефективність якого нещодавно підтвердили експерименти на протонному суперсинхротроні (SPS) CERN.

Завдання ускладнює те, що розсіювання електронів як у прямому, так і у зігнутому кристалі супроводжується гальмівним випромінюванням, яке може призводити до значних втрат енергії електронами. Крім радіаційних, необхідно враховувати й іонізаційні втрати енергії, специфіку динаміки релятивістських електронів у зігнутому кристалі тощо. Отже, пошук оптимальних параметрів такої системи за конкретних умов прискорювача PETRA IV буде непростим і потребуватиме зусиль і українських, і німецьких учених та інженерів. Але можливість створення додаткового тестового електронного каналу за допомогою зігнутого кристалу без спотворення основного пучка синхротрону PETRA IV та без використання спеціальних дорогих надпровідних магнітних систем видається дуже привабливою.

На колажі: частина українських виконавців проєкту; одна з ключових ілюстрацій із презентації робіт фізиків на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2012 року; фото будівель DESY

За інформацією ННЦ «ХФТІ»