Ein wissenschaftliches Team der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) der Michigan State University (MSU) hat einen neuen optischen Detektor entwickelt. Diese Entwicklung wird es wissenschaftlichen Nutzern ermöglichen, zu neuen Erkenntnissen und Durchbrüchen in der Kernphysik beizutragen. Die Ergebnisse des Teams sind in einem in veröffentlichten „Editor’s Pick“-Papier detailliert beschrieben Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente.
Das Energy Loss Optical Scintillation System (ELOSS) stellt einen Fortschritt sowohl in der Instrumentierung als auch in den Fähigkeiten in der experimentellen Kernphysik dar. Der neue Detektor ermöglicht es Forschern, Isotope mit hoher Strahlrate und hoher Leistung zu untersuchen.
„In der Experimentalphysik waren Innovation und Fortschritt schon immer eng mit der Verbesserung von Beschleuniger- und Beschleunigertechnologien verbunden“, sagte Marco Cortesi, Gruppenleiter für Detektorsysteme am FRIB und Leiter des ELOSS-Projekts.
„Moderne leistungsstarke Maschinen erfordern die Entwicklung innovativer Detektoren, die in der Lage sind, die neuen Strahlfähigkeiten zu nutzen. FRIB ist eine neue Beschleunigertechnologie mit einem beeindruckenden Entdeckungspotenzial. Jetzt haben wir auch verbesserte Detektionsgeräte, um das ehrgeizige wissenschaftliche Programm voranzubringen und zu stärken FRIB.“
Das Team umfasste Cortesi; Alexandra Gade, Professorin für Physik am FRIB und im Department of Physics and Astronomy der MSU und stellvertretende wissenschaftliche Direktorin des FRIB; Remco Zegers, Professor für Physik am FRIB und in der Fakultät für Physik und Astronomie der MSU; Jorge Pereira, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Physiker; Daniel Bazin, Forschungsprofessor; Steve Lidia, Abteilungsleiter für Strahlinstrumente und -messungen; Joe Asciutto, Diagnoseingenieur; und Sean Dziubinski, wissenschaftlicher Mitarbeiter des FRIB.
Seit Jahrzehnten verwenden Forscher eine herkömmliche Ionisationskammer, um die Ordnungszahlen schwerer Ionen durch eine Energieverlustmessung zu bestimmen. Die FRIB-Forscher brachen jedoch mit der Tradition. Stattdessen maßen sie das entlang der Strecke erzeugte Licht mit ihrer optischen Ionisationskammer in der Brennebene des S800-Spektrographen am FRIB.
Der mehrsegmentige optische Detektor ist mit Xenongas bei Drücken im Bereich von 400 bis 800 Torr gefüllt, ein Bereich um den Druck der Atmosphäre. Photomultiplier-Röhrenarrays, Standardwerkzeuge für die Lichtdetektion, umgeben das Gas und werden entlang der Richtung des Strahls platziert, um das Szintillationslicht aufzuzeichnen. Die Anzahl der detektierten Photonen ist proportional zur Energie, die das Strahlteilchen entlang seiner Bahn im effektiven Detektorvolumen deponiert. Dadurch können Wissenschaftler die entsprechende Ordnungszahl identifizieren.
Das ELOSS-Verfahren bietet gegenüber herkömmlichen Ladungsauslesesystemen mehrere technische Vorteile. Das Team fand heraus, dass ELOSS den Energieverlust von Schwerionen mit einer fast dreimal besseren Auflösung und mit der 10-fachen Zählrate oder der Geschwindigkeit, mit der Messungen durchgeführt werden können, messen kann.
„Dies spart Zeit, indem es schnellere Experimente ermöglicht und Forscher in die Lage versetzt, mehr Statistiken in einem schnelleren Tempo zu sammeln“, sagte Cortesi. „Es eröffnet auch Möglichkeiten für neue Experimente.“
Dziubinski, Doktorand der Physik, spielte dabei eine herausragende Rolle. Neben der Arbeit an der Montage und Kalibrierung des Detektors entwickelte Dziubinski auch eine Tischmethode zur Durchführung der Kalibrierung, die Cortesi als entscheidend für den Erfolg des Projekts bezeichnete.
„Während meiner gesamten Zeit an der MSU habe ich Experimente aufgebaut und durchgeführt“, sagte Dziubinski. „Die Arbeit am ELOSS-Projekt hat mich ständig mit neuen Werkzeugen und Konzepten in der Physik in Kontakt gebracht.“
Cortesi sieht die Beteiligung studentischer Forscher wie Dziubinski als entscheidend für die langfristige Weiterentwicklung des Fachgebiets an. Bei der Ausbildung einer neuen Generation für Detektorforschung und -entwicklung sagte er, Forscher könnten die Leistungsfähigkeit der FRIB-Beschleunigertechnologie besser nutzen und modernste Physik mit größerer Effizienz und Kraft verfolgen.
„ELOSS ist ein Upgrade zur Verbesserung der Partikelidentifikation, und es kommen noch mehr“, sagte Cortesi. „Wir wollen die Möglichkeiten nutzen, die FRIB bietet. Mit diesem neuen Detektor können wir das tun.“
Mehr Informationen:
M. Cortesi et al, Design und Konstruktion eines neuartigen optischen Energieverlust-Szintillationssystems (ELOSS) zur Identifizierung von Schwerionenpartikeln, Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente (2022). DOI: 10.1063/5.0124846