Utredare vid University of Colorado, Boulder och National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett nytt sensorarraybaserat instrument som erbjuder detektering av ultralågt brus av små mängder energi för ett antal applikationer. Den nya enheten möjliggör insamling av data från många fler detektorer än vad som tidigare var möjligt. Förskottet, rapporterade i veckans nummer av Tillämpad fysikbokstäver , förväntas tillåta tillämpningar inom så olika områden som kärnämnesredovisning, astrofysik och röntgenspektrometri.

Instrumentet består av 128 supraledande sensorer och kombinerar deras utmatning till en enda kanal från ett par koaxialkablar. Förr, matrisstorlek begränsades av den tillgängliga bandbredden för att kombinera signaler till ett rimligt antal utgångskanaler. Denna nya forskning visar en hundrafaldig förbättring av bandbredden, och utredarna planerar att göra det ännu bättre snart. De övervann bandbreddsbarriären genom att använda mycket kalla superledande mikrovågskretsar och superledande kvantstörningsanordningförstärkare, känd som SQUIDs, kan öka intensiteten hos små signaler.

Den nya enheten använder radiofrekventa SQUID för att reglera mikrovågsresonatorer av hög kvalitet. När dessa resonatorer är kopplade till en gemensam mikrovågmatningslinje, med varje resonator inställd på en annan frekvens, alla sensorer kan övervakas samtidigt.

"Det är som om man försöker lyssna på hundratals radiostationer samtidigt, genom en radiomottagare, "sade Ben Mates från University of Colorado och huvudförfattare till verket. SQUID -resonatorerna ökar signalen i varje kanal, han förklarade, tillåter samtidig avläsning av alla radiostationer samtidigt.

Versioner av det nya instrumentet kan detektera signaler över ett brett frekvensområde, från kortvåglängd gamma eller röntgenstrålar till mikrovågor med lång våglängd. Gammastrålningsdetektering är avgörande för kärnämnesredovisning, särskilt för att spåra plutoniumisotoper i använt kärnbränsle. Eftersom plutonium kan användas för att skapa kärnvapen, det är viktigt att ha snabb, exakta metoder för att mäta mängden plutonium i kärnbränsle som skickas för upparbetning.

Nuvarande teknik för spårning av plutonium använder masspektrometri, men denna metod är dyr och tidskrävande. Snabbare och billigare teknik baserad på gammastrålspektroskopi har inte noggrannhet för att utesluta små avvikelser i mängder plutonium från en stor anläggning. Endast 8-10 kilo saknat material behövs för att bygga en atombomb. De nya arraydetektorerna är kandidater för att förbättra noggrannheten i gammastrålspektroskopi så att kärnämne lättare kan spåras.

I andra änden av spektrumet, det nya instrumentet förväntas förbättra astronomiska studier av kosmisk mikrovågsbakgrundstrålning, som mestadels är enhetlig, även om det finns små och viktiga fluktuationer i dess intensitet och polarisering. Forskarna förutspår att liknande versioner av deras instrument kommer att användas för att söka efter fluktuationer i polarisering som är en signatur för en inflationsepok i de tidigaste stunderna i universum.

Utredarna hoppas att en större uppsättning gör att de kan utvecklas, i samarbete med Department of Energy:s SLAC -anläggning i Stanford, en unik spektrometer som samtidigt kan samla in och exakt mäta många högenergiröntgenstrålar från material som studeras vid Kalifornien-anläggningens röntgenfria elektronlaser. Penetrerande röntgenstrålar från detta kraftfulla verktyg används alltmer för att förstå materiens egenskaper på ultrakorte tidsskalor, men större detektoruppsättningar är önskvärda även för denna ljusa röntgenkälla. Mot detta ändamål, framtida arbete kommer att fokusera på att öka matrisstorleken till tusen sensorer eller mer.