Onderzoekers van de Universiteit van Colorado, Boulder en het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw sensorarray-gebaseerd instrument ontwikkeld dat ultra-lage ruisdetectie van kleine hoeveelheden energie biedt voor een aantal toepassingen. Met het nieuwe apparaat kunnen gegevens van veel meer detectoren worden verzameld dan voorheen mogelijk was. Het voorschot, gemeld in de uitgave van deze week van Technische Natuurkunde Brieven , zal naar verwachting toepassingen mogelijk maken op uiteenlopende gebieden als de boekhouding van nucleaire materialen, astrofysica en röntgenspectrometrie.

Het instrument bestaat uit 128 supergeleidende sensoren en combineert hun output in een enkel kanaal dat wordt geleverd door een paar coaxkabels. Vroeger, De grootte van de array werd beperkt door de beschikbare bandbreedte om signalen te combineren tot een redelijk aantal uitgangskanalen. Dit nieuwe onderzoek toont een honderdvoudige verbetering van de bandbreedte aan, en de onderzoekers zijn van plan het binnenkort nog beter te doen. Ze overwonnen de bandbreedtebarrière door gebruik te maken van zeer koude supergeleidende microgolfcircuits en supergeleidende versterkers voor kwantuminterferentieapparaten, bekend als SQUID's, in staat om de intensiteit van kleine signalen te versterken.

Het nieuwe apparaat maakt gebruik van radiofrequente SQUID's om hoogwaardige microgolfresonatoren te regelen. Wanneer deze resonatoren zijn gekoppeld aan een gemeenschappelijke voedingslijn voor microgolven, waarbij elke resonator is afgestemd op een andere frequentie, alle sensoren kunnen tegelijkertijd worden bewaakt.

"Het is alsof je naar honderden radiostations tegelijk probeert te luisteren, via één radio-ontvanger, " zei Ben Mates van de Universiteit van Colorado en hoofdauteur van het werk. De SQUID-resonatoren versterken het signaal in elk kanaal, hij legde uit, waardoor gelijktijdige uitlezing van alle radiostations tegelijk.

Versies van het nieuwe instrument kunnen signalen detecteren over een breed frequentiebereik, van gammastraling met korte golflengte of röntgenstraling tot microgolven met lange golflengte. Gammastralingsdetectie is cruciaal voor de boekhouding van nucleair materiaal, met name voor het opsporen van plutoniumisotopen in verbruikte splijtstoffen. Omdat plutonium kan worden gebruikt om kernwapens te maken, het is belangrijk om snel, nauwkeurige methoden om de hoeveelheid plutonium in nucleaire brandstof te meten die voor opwerking wordt verzonden.

De huidige technologie voor het volgen van plutonium maakt gebruik van massaspectrometrie, maar deze methode is duur en tijdrovend. Snellere en goedkopere technologieën op basis van gammastralingsspectroscopie hebben niet de nauwkeurigheid om kleine verschillen in hoeveelheden plutonium van een grote faciliteit uit te sluiten. Er is slechts 8-10 kilogram ontbrekend materiaal nodig om een ​​atoombom te bouwen. De nieuwe array-detectoren zijn kandidaten om de nauwkeurigheid van gammastralingsspectroscopie te verbeteren, zodat nucleair materiaal gemakkelijker kan worden gevolgd.

Aan de andere kant van het spectrum, het nieuwe instrument zal naar verwachting de astronomische studies van kosmische microgolfachtergrondstraling verbeteren, die meestal uniform is, hoewel er kleine en belangrijke fluctuaties bestaan ​​in de intensiteit en polarisatie ervan. De onderzoekers voorspellen dat vergelijkbare versies van hun instrument zullen worden gebruikt om te zoeken naar schommelingen in polarisatie die een teken zijn van een inflatoir tijdperk in de vroegste momenten van het universum.

De onderzoekers hopen dat een grotere reeks hen in staat zal stellen zich te ontwikkelen, in samenwerking met de SLAC-faciliteit van het Department of Energy in Stanford, een unieke spectrometer die in staat is om gelijktijdig veel hoogenergetische röntgenstralen te verzamelen en nauwkeurig te meten van materialen die worden bestudeerd in de röntgenvrije elektronenlaser van de Californische faciliteit. Doordringende röntgenstralen van dit krachtige hulpmiddel worden steeds vaker gebruikt om de eigenschappen van materie op ultrakorte tijdschalen te begrijpen, maar grotere detectorarrays zijn zelfs voor deze heldere röntgenbron wenselijk. Tegen dit doel, toekomstig werk zal zich richten op het vergroten van de arraygrootte tot duizend sensoren of meer.