Comptoni kaamera mõõdab gammakiirguse polarisatsiooni tuumafüüsika katses

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Tuuma struktuur: mõne haruldase tuuma sisemist tööd saab peagi paremini mõista, kasutades mitmekihilist Comptoni kaamerat. (Viisakalt: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Tuumafüüsika katses on gammakiirte polarisatsiooni mõõtmiseks kasutatud Comptoni kaamerat. Seda tegi meeskond eesotsas Shintaro Mine Jaapanis RIKENi pioneeriuuringute klastris. Nad ütlevad, et nende uudne lähenemisviis võib aidata füüsikutel aatomituumade struktuuri palju üksikasjalikumalt uurida.

Aatomituum sisaldab prootoneid ja neutroneid, mida seob kokku tugev jõud. Sarnaselt elektronidele aatomis või molekulis võivad need prootonid ja neutronid eksisteerida mitmes erinevas energiaseisundis, mis on sageli seotud tuuma erineva kujuga. Nende olekute vahelised üleminekud hõlmavad sageli gammakiirguse footonite emissiooni ja nende footonite uurimine annab olulist teavet tuumade sisestruktuuri kohta – seda teadusharu nimetatakse tuumaspektroskoopiaks.

Need uuringud hõlmavad nii tuumade spinni kui ka paarsuse määramist, mida saab teha emiteeritud gammakiirte polarisatsiooni mõõtmise teel. Gammakiirguse polarisatsiooni täpsete mõõtmiste tegemine pole aga lihtne ülesanne.

Mitmekihiline kaamera

Hiljuti on uued võimalused kvaliteetsete mõõtmiste tegemiseks tulnud mitmekihilisest kaadmium-telluriid-Comptoni kaamera disainist, mille töötas välja esmakordselt Tadayuki Takahashi ja kolleegid Tokyo ülikoolist.

Comptoni kaamera koosneb vähemalt kahest materjalikihist, mis suhtlevad gammakiirgusega ja tuvastavad neid. Protsess algab gammakiirguse footoni ebaelastselt (Comptoni) hajumisega esimesest kihist. Seejärel neeldub footon teise kihi poolt. Kasutades mõlema sündmuse tuvastamisel saadud asukohateavet, saab langeva gammakiirguse allika jälgida ruumis oleva ringini. Mõõtes paljusid selliseid vastastikmõjusid, saab gammakiirte allika täpselt määrata ringide ristumiskohas. Selle tulemusena on Comptoni kaamerad mänginud gammakiirguse astronoomias olulist rolli.

Tõepoolest, Takahashi disain töötati esmakordselt välja Jaapani Hitomi missioonil, mis oli 2016. aastal välja lastud õnnetu kosmoseteleskoop. Go juhib aga tähelepanu sellele, et „seda tüüpi detektorit on sellest ajast peale kasutatud paljudes valdkondades. Selle rakendused ulatuvad Jaapani tuumaelektrijaama õnnetuse järel vabanenud radioaktiivsete materjalide asukoha määramisest kuni tuumameditsiinis mitme sondi jälgimiseni.

Sõltub polarisatsioonist

Nüüd on Go meeskond kasutanud Takahashi Comptoni kaamerat tuumaspektroskoopia katses, mis mõõtis gammakiirte polarisatsiooni. Nende tehnika kasutab ära asjaolu, et tõenäosus, et footon on Comptoni teatud nurga all hajutatud, sõltub selle polarisatsioonist. See tähendab, et Comptoni kaamerat saab kasutada teadaolevas kohas asuvast allikast pärineva gammakiirguse polarisatsiooni määramiseks.

"See lähenemisviis annab väärtuslikku teavet ergastatud tuumade gammakiirguse lineaarse polarisatsiooni kohta, " ütleb Go.

Comptoni pildistamine avab diagnostiliseks pildistamiseks uusi võimalusi

Katses tulistasid teadlased prootonikiire õhukese raudfooliumi pihta. Mõned neist prootonitest hajuvad raud-56 tuumadest, pannes tuumad ergastatud olekusse, mis laguneb gammakiirguse footoni emissiooni tõttu. Selles põhimõtet tõendavas katses valiti see tuumaüleminek, kuna gammakiirgust kiirgatakse hästi tuntud polarisatsiooniga.

Go ja kolleegide rõõmuks vastas nende Comptoni kaameraga mõõdetud footonite polarisatsioon täpselt teadaolevale väärtusele. Olles oma uut eksperimentaalset tehnikat edukalt demonstreerinud, loodab Go meeskond, et kaamerat saab peagi laiemalt rakendada nüüdisaegsetes tuumaspektroskoopia katsetes.

"Meie leiud hõlmavad märkimisväärselt kõrget tundlikkust ja tõhusat tuvastamise efektiivsust, " kirjeldab Go. Ta ütleb, et see on väga kasulik haruldaste radioaktiivsete tuumade uurimiseks, mis hõlmab väga väikese arvu footonite tuvastamist.

Uuringut kirjeldatakse artiklis Teaduslikud aruanded.