新型基于SQUID的检测器以新的敏感度开启了新的研究领域

实验帮   2017-08-14 12:01

新型基于SQUID的检测器以新的敏感度开启了新的研究领域

这是33通道SQUID多路复用器芯片(20 mm * 4 mm)的照片,及其显示相关谐振的微波响应。多个芯片被菊花链连接在一起以实现更大的复用因子。图片来源:J.A.B. Mates,科罗拉多大学博尔德分校

科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员开发了一种新型基于传感器阵列的设备,可为许多应用提供具有很少能量的超低噪声的检测。与从前的设备相比,这个新设备能够从多个检测器收集数据。AIP出版社本周刊“Applied Physics Letters”报道的进展预计将允许在核材料统计、天体物理学和X射线光谱测定法等领域的应用。

该仪器由128个超导传感器组成,并将其输出组合成由一对同轴电缆提供的单通道。在过去,阵列大小受到可用于将信号合并到合理数量的输出通道中的带宽的限制。这项新的研究表明,带宽提高了百倍,调查人员计划很快会取得改善。他们通过使用非常冷的超导微波电路和称为SQUIDs的超导量子干涉器件放大器克服了带宽障碍,所述SQUIDs能够提升小信号的强度。

新型设备使用射频SQUIDs来调节高质量的微波谐振器。当这些谐振器耦合到公共微波反馈线路时,每个谐振器调谐到不同的频率,所有的传感器都可以被同时监测。

本论文的主要作者、科罗拉多大学的Ben Mates表示:“就像一个人试图通过一台无线电接收机一次听几百个无线电台。他解释说,SQUID谐振器可以提升每个通道的信号,允许同时读出所有的广播电台。

新仪器的多个版本可以在宽波段范围内检测信号,从短波伽马或X射线到长波长的微波。伽马射线检测对核材料统计至关重要,特别是跟踪消耗核燃料中的钚同位素。由于钚可用于制造核武器,具有快速、准确的方法来测量用于后处理的核燃料中的钚的量是很重要的。

目前用于跟踪钚的技术使用质谱法,但是这种方法是昂贵且耗时的。更快、成本更低的基于伽马射线光谱法的技术不具有排除来自大型设施的钚量的小差异的精确度。制造核弹仅需要8-10公斤的缺陷材料。新的阵列检测器是提高伽马射线光谱精度的最好的选择,以便更容易地追踪核材料。

在光谱的另一端,新设备有望改善宇宙微波背景辐射的天文学研究,这主要是统一的,尽管其强度和极化存在小而重要的波动。研究人员预测,他们的设备的类似版本将被用于搜索极化波动,这是在宇宙的最早时期的膨胀时代的标志。

调查人员希望能够与斯坦福大学的能源学院的SLAC设备研究所合作开发更大阵列,这是一个独特的光谱仪,能够同时收集并精确测量材料中的许多高能量X射线,这些材料被加利福尼亚设备X射线自由电子激光所研究。来自于这种强力工具的穿透X射线越来越多地用于在超短时间尺度上研究物质的性质,但是即使对于这种明亮的X射线源,也需要较大的检测器阵列。为此,未来的工作将集中在将阵列大小增加到一千个传感器或更多。

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