Ansträngningen att konstruera GRETA (Gamma-Ray Energy Tracking Array), en banbrytande sfärisk uppsättning av högrena germaniumkristaller som kommer att mäta gammastrålningssignaler för att avslöja nya detaljer om strukturen och inre funktionen av atomkärnor, har fått nyckelgodkännanden som behövs för att fortsätta mot full utbyggnad.

GRETA, som också kommer att ge ny insikt om materiens natur och hur stjärnor skapar element, förväntas nå den första fasen av färdigställande 2023, och för att uppnå slutlig färdigställande 2025. Det bygger på det befintliga instrumentet GRETINA (Gamma-Ray Energy Tracking In-beam Nuclear Array), slutfördes 2011, som har färre gammastråldetekterande kristaller. Gammastrålar är mycket energiska, penetrerande former av ljus som avges när instabila atomkärnor sönderfaller i mer stabila kärnor.

US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har haft en ledande roll i både GRETINA och GRETA, och kärnfysiker och ingenjörer i Berkeley Lab arbetar med team på Argonne och Oak Ridge nationella laboratorier, och Michigan State University, i utvecklingen av GRETA.

På onsdag, 7 oktober, 2020, DOE -tjänstemän godkände viktiga milstolpar för GRETA -projektet, inklusive arbetets omfattning och dess schema, och de sista konstruktionstekniska planer som kommer att leda projektet till slut. De formella godkännandestegen är kända som Critical Decision 2 och Critical Decision 3 (CD-2 och CD-3).

"Godkännandena var en stor prestation för projektet och laget. Det markerar att den slutliga designen har slutförts, och visar att vi är redo att bygga matrisen, "sa Paul Fallon, GRETA -projektledare och en senior personalvetare i Berkeley Labs kärnvetenskapliga avdelning. Ett viktigt nästa steg är att tillverka komplexet, meter bred aluminiumsfär som kommer att rymma detektorerna.

Ny användaranläggning kommer att få GRETA att fungera

GRETINA, och senare GRETA, kommer att installeras vid Michigan State University's Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), när den anläggningen startar sin verksamhet 2022. Den 29 september, FRIB utsågs officiellt till den nyaste medlemmen i DOE Office of Science användarfaciliteter. Det finns nu 28 av dessa användarfaciliteter, som är tillgängliga för forskare från hela landet och runt om i världen. Redan, uppskattningsvis 1, 400 vetenskapliga användare ställs upp för att delta i kärnfysiska experiment på FRIB när anläggningen startar 2022. Fortfarande under uppbyggnad, FRIB är cirka 94% komplett.

GRETINA är utrustad med 12 detektormoduler och 48 detektorkristaller, och GRETA kommer att lägga till ytterligare 18 detektormoduler, för totalt 30 moduler och 120 kristaller. Cirka 18-20 detektormoduler förväntas installeras i GRETA före slutet av 2024, med de sista modulerna installerade 2025.

När strålarna av sällsynta isotoper som produceras vid FRIB träffar ett fast mål, de kan genomgå en mängd olika kärnreaktioner. Dessa reaktioner kan producera ännu mer exotiska kärnor som avger en sekvens av gammastrålar, som ger information om sin interna kärnkraftsstruktur. Isotoper är varianter av element som har samma antal positivt laddade protoner i sina kärnor men har mer eller färre oladdade partiklar som kallas neutroner jämfört med ett elements standardform.

GRETA kommer att omge dessa mål för att ge otroligt detaljerad information om 3D-riktning och energi för gammastrålar som sprids genom dess detektorer. Ultrasnabb elektronik gör att detektorerna kan fånga upp till 50, 000 signaler per sekund i varje kristall, och ett särskilt datorkluster kommer att utföra signalbehandling i realtid på upp till 480, 000 gammastrålningsinteraktioner per sekund som detekteras inom GRETA-sfären.

FRIB kommer att vara utrustad med en kraftfull accelerator som kan producera strålar av partiklar från så tunga element som uran, och kommer att ha förmågan att skapa och studera mer än 1, 000 nya isotoper genom att spränga mål med högenergibalkar.

GRETA är utformad för att vara flexibel så att den kan rymma ett brett spektrum av instrument för experiment, och även flyttbar så att den kan användas på olika experimentplatser vid FRIB och andra anläggningar. "GRETA är optimerat för det breda utbudet av vetenskap vid FRIB, "Fallon sa, och kommer också att användas vid Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) vid Argonne National Laboratory.

GRETA kommer att vara nyckeln till många experiment på FRIB-cirka två tredjedelar av de forskningsmål som planeras vid FRIB kommer att använda GRETA-detektorn, Sa Fallon.

Experiment kommer att studera kärnor i ytterligheterna, och med större känslighet

Bland dess användningsområden kommer att vara att studera de mest neutronrika formerna av isotoper innan de blir instabila. Denna extrema kallas neutron "droppledning, "eftersom det representerar den sista stabila formen av en isotop innan den inte kan bära mer neutroner, och dess kärna börjar "droppa" eller avge neutroner.

GRETA kommer också att användas för att identifiera kärnor som uppvisar päronliknande former. Sådana experiment hjälper forskare att lära sig gränserna för de mest extrema egenskaperna hos atomkärnor, tillhandahålla nyckeldata om deras skapande, och identifiera nya kärnor som testar vår förståelse av naturens grundläggande interaktioner och krafter som styr materiens struktur.

Tillsammans, FRIB och GRETA kommer att ha 10 till 100 gånger större känslighet i kärntekniska experiment än vad som är möjligt med hjälp av befintliga acceleratorer och detektorer, Fallon noterade.

GRETA kommer att byggas, monterad, och testade på Berkeley Lab innan de skickades till FRIB. Berkeley Lab ledde utvecklingen av detektorerna för projektet och ansvarar för att övervaka deras leverans, och leder också design och tillverkning av GRETAs signalbehandlingselektronik, datoranvändning, och mekaniska system; Argonne Lab utvecklar elektroniken relaterad till dess trigger- och timing -system; Michigan State University ansvarar för att karakterisera prestandan hos dess detektorer; och Oak Ridge Lab ansvarar för signalbehandling i realtid för att lokalisera gammastrålningsinteraktionerna inom GRETA-kristallerna.

När GRETA är klar, Berkeley Lab kommer att fortsätta att spela en roll inom sin elektronik, datoranvändning, och uppgraderingar, och vid omkonfigurering av instrumentet för experiment. Omkring 25 Berkeley Lab -forskare och ingenjörer är involverade i GRETA -projektet, Sa Fallon.