GRETA的下一步：更好的伽瑪射線探測(cè)器

一種新的高分辨率伽馬射線探測(cè)器系統(tǒng) - 旨在揭示原子核結(jié)構(gòu)和內(nèi)部工作的新細(xì)節(jié)，并提升我們對(duì)物質(zhì)的理解和元素的恒星創(chuàng)造 - 已經(jīng)通過了一個(gè)重要的項(xiàng)目里程碑。

當(dāng)這個(gè)系統(tǒng) - 伽瑪射線能量跟蹤陣列或 GRETA - 與現(xiàn)有的探測(cè)器陣列 GRETINA (用于伽馬射線能量跟蹤射線核陣列)相結(jié)合時(shí)，它將創(chuàng)建一個(gè)完整的球形陣列。γ射線是從激發(fā)的核態(tài)發(fā)射的高穿透性，高能量形式的光。

GRETINA于2011年完工，并展示了用于核物理的伽馬射線跟蹤探測(cè)器的強(qiáng)大功能。能源部的勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)在GRETINA和現(xiàn)在的GRETA擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)職務(wù)。GRETA項(xiàng)目包括Argonne和Oak Ridge實(shí)驗(yàn)室以及密歇根州立大學(xué)的研究人員。

一旦完成，探測(cè)器系統(tǒng)將首先駐留在 密歇根 州立大學(xué)的稀有同位素光束設(shè)施(FRIB)，這是一個(gè)正在建設(shè)中的未來DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。FRIB將支持能源部科學(xué)辦公室的使命。

“GRETA將成為FRIB科學(xué)的旗艦工具和主要工具，”GRETA項(xiàng)目總監(jiān)兼伯克利實(shí)驗(yàn)室高級(jí)科學(xué)家科學(xué)家Paul Fallon說。

GRETA將用于實(shí)時(shí)研究核反應(yīng)。它可以研究新核的創(chuàng)建，例如高能射束擊中目標(biāo) - 并詳細(xì)說明通過探測(cè)器的單個(gè)伽馬射線的路徑，這對(duì)于重建事件有用，可以更多地了解觸發(fā)事件的屬性它。

“對(duì)于某些實(shí)驗(yàn)，GRETA的靈敏度比現(xiàn)有探測(cè)器高100倍，”Fallon補(bǔ)充道。“在測(cè)量伽馬射線能量時(shí)，它將具有高效率和高能量分辨率。”

利用GRETA的實(shí)驗(yàn)將有助于確定有多少質(zhì)子和中子可以填充到原子核中并確定原子核結(jié)構(gòu)的限制。

伯克利實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)部主任Barbara Jacak說：“當(dāng)質(zhì)子或中子的數(shù)量比穩(wěn)定同位素的數(shù)量大得多時(shí)，GRETA將允許我們測(cè)量結(jié)構(gòu)如何變化。”她補(bǔ)充道，“原子核是典型的量子多體系統(tǒng)“ - 它是許多復(fù)雜粒子相互作用的家園，涉及稱為糾纏的量子現(xiàn)象。

GRETA還可以幫助確定原子核的性質(zhì)，這些屬性決定了爆炸性恒星死亡如何通過各種重元素使宇宙播種。

“我們想知道：在像我們的太陽這樣的恒星在它們的生命周期中崩潰之后，所謂的快速中子捕獲過程或'r過程'中的元素如何比鎳或鐵更重?”副主任Alan Poon說道。伯克利實(shí)驗(yàn)室核科學(xué)主任。

最新的項(xiàng)目里程碑是在能源部授權(quán)的審查和批準(zhǔn)階段之后，啟動(dòng)了項(xiàng)目的工程設(shè)計(jì)階段，并提供了一些探測(cè)器模塊的購買。這些模塊采用超高純度鍺晶體 - 每個(gè)大小約為10盎司咖啡杯 - 是GRETA設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。

在FRIB，強(qiáng)大的帶電粒子(離子)束將通過強(qiáng)大的線性加速器加速到光速的一半。

這些光束將撞擊由GRETA陣列包圍的腔室內(nèi)的核靶，產(chǎn)生各種形式的元素，稱為同位素。這些元素中的許多元素及其同位素在自然界中不存在，并且在它們衰變成更穩(wěn)定的核之前僅存在幾分之一秒。同位素是具有不同原子質(zhì)量的元素的版本，基于它們攜帶的不同數(shù)量的中子。

GRETA探測(cè)器陣列設(shè)計(jì)用于圍繞樣品，形成球形外殼，以更完整和精確地測(cè)量在探測(cè)器中傳播的伽馬射線的能量和3D位置。陣列將包含120個(gè)鍺晶體，排列在30個(gè)模塊中。它將包含12個(gè)GRETINA探測(cè)器模塊。

每個(gè)探測(cè)器晶體將被制成兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)計(jì)，具有錐形，不規(guī)則的六邊形形狀，長(zhǎng)度約為3.5英寸。

“真正的訣竅是將這些晶體非常緊密地組合在一起，在幾毫米之內(nèi)，并快速記錄數(shù)字化的伽馬射線信號(hào)，”法倫說。

該項(xiàng)目需要超快電子設(shè)備來記錄這些伽馬射線事件。前端電子設(shè)備每個(gè)晶體每秒最多可捕獲50,000個(gè)信號(hào)，儀器需要1 PB的存儲(chǔ)空間來捕獲快速數(shù)據(jù)。5,000核計(jì)算集群將有助于實(shí)時(shí)處理這些信號(hào)。

預(yù)計(jì)FRIB的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)將以某種形式使用GRETA。一些實(shí)驗(yàn)將使用旨在阻止光束穿透的樣品，而其他實(shí)驗(yàn)將研究穿過樣品的加速光束。