Ny SQUID-baseret detektor åbner op for nye studieretninger med nyt niveau af følsomhed

Efterforskere ved University of Colorado, Boulder og National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet et nyt sensorarray-baseret instrument, der tilbyder ultra-lav støjdetektering af små mængder energi til en række applikationer. Den nye enhed giver mulighed for indsamling af data fra mange flere detektorer, end det tidligere var muligt. Fremskridtet, rapporteret i denne uges udgave af Anvendt fysik bogstaver , forventes at tillade anvendelser inden for så forskellige områder som nukleare materialer, astrofysik og røntgenspektrometri.

Instrumentet består af 128 superledende sensorer og kombinerer deres output i en enkelt kanal leveret af et par koaksialkabler. I fortiden, array-størrelsen var begrænset af den tilgængelige båndbredde til at kombinere signaler til et rimeligt antal outputkanaler. Denne nye forskning viser en hundrede gange båndbreddeforbedring, og efterforskerne planlægger at gøre det endnu bedre snart. De overvandt båndbreddebarrieren ved at bruge meget kolde superledende mikrobølgekredsløb og superledende kvanteinterferensforstærkere, kendt som SQUID'er, i stand til at øge intensiteten af ​​små signaler.

Den nye enhed bruger radiofrekvens SQUID'er til at regulere højkvalitets mikrobølgeresonatorer. Når disse resonatorer er koblet til en fælles mikrobølgetilførselsledning, med hver resonator indstillet til en anden frekvens, alle sensorer kan overvåges samtidigt.

"Det er som om man prøvede at lytte til hundredvis af radiostationer på én gang, gennem en radiomodtager, " sagde Ben Mates fra University of Colorado og hovedforfatter af værket. SQUID-resonatorerne booster signalet i hver kanal, forklarede han, tillader samtidig aflæsning af alle radiostationer på én gang.

Versioner af det nye instrument kan detektere signaler over en lang række frekvenser, fra kortbølgelængde gamma eller røntgenstråler til langbølgelængde mikrobølger. Gammastråledetektion er afgørende for nukleart materialeregnskab, især til sporing af plutoniumisotoper i brugt nukleart brændsel. Da plutonium kan bruges til at skabe atomvåben, det er vigtigt at have hurtigt, nøjagtige metoder til at måle mængden af ​​plutonium i nukleart brændsel sendt til oparbejdning.

Nuværende teknologi til sporing af plutonium bruger massespektrometri, men denne metode er dyr og tidskrævende. Hurtigere og mindre omkostningskrævende teknologier baseret på gammastrålespektroskopi har ikke nøjagtigheden til at udelukke små uoverensstemmelser i mængden af ​​plutonium fra et stort anlæg. Der skal kun 8-10 kg manglende materiale til for at bygge en atombombe. De nye array-detektorer er kandidater til at forbedre nøjagtigheden af ​​gammastrålespektroskopi, så nukleart materiale lettere kan spores.

I den anden ende af spektret, det nye instrument forventes at forbedre astronomiske undersøgelser af kosmisk mikrobølgebaggrundsstråling, som for det meste er ensartet, selvom der findes små og vigtige udsving i dens intensitet og polarisering. Forskerne forudser, at lignende versioner af deres instrument vil blive brugt til at søge efter udsving i polarisering, der er en signatur på en inflationær epoke i de tidligste øjeblikke af universet.

Efterforskerne håber, at et større udvalg vil give dem mulighed for at udvikle sig, i samarbejde med Department of Energy's SLAC-anlæg i Stanford, et unikt spektrometer, der er i stand til samtidigt at opsamle og præcist måle mange højenergi røntgenstråler fra materialer under undersøgelse på Californiens anlægs røntgenfri elektronlaser. Gennemtrængende røntgenstråler fra dette kraftfulde værktøj bruges i stigende grad til at forstå stofs egenskaber på ultrakorte tidsskalaer, men større detektorarrays er ønskelige selv for denne lyse røntgenkilde. Til dette formål, fremtidigt arbejde vil fokusere på at øge array-størrelsen til tusind sensorer eller mere.