Compton-kamera mittaa gammasäteen polarisaatiota ydinfysiikan kokeessa

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Ydinrakenne: joidenkin harvinaisten ytimien sisäistä toimintaa voitaisiin pian ymmärtää paremmin käyttämällä monikerroksista Compton-kameraa. (Kohtelias: iStock/Girolamo-Sferrazza-Papa)

Compton-kameralla on mitattu gammasäteiden polarisaatiota ydinfysiikan kokeessa. Tämän teki johtama tiimi Shintaro Go Japanin uraauurtavan tutkimuksen RIKEN-klusterissa. He sanovat, että heidän uusi lähestymistapansa voisi auttaa fyysikoita tutkimaan atomiytimien rakennetta paljon yksityiskohtaisemmin.

Atomiytimet sisältävät protoneja ja neutroneja, joita voimakas voima sitoo yhteen. Aivan kuten atomin tai molekyylin elektronit, nämä protonit ja neutronit voivat esiintyä useissa erillisissä energiatiloissa – usein yhdistettynä ytimen eri muotoihin. Näiden tilojen välisiin siirtymisiin liittyy usein gammasädefotonien emissio, ja näiden fotonien tutkiminen tarjoaa tärkeää tietoa ytimien sisäisestä rakenteesta – tieteenalasta, jota kutsutaan ydinspektroskopiaksi.

Näihin tutkimuksiin kuuluu sekä ytimien spinin että pariteetin määrittäminen, mikä voidaan tehdä mittaamalla emittoituneiden gammasäteiden polarisaatio. Tarkkojen gammasäteilyn polarisaation mittausten tekeminen ei kuitenkaan ole helppoa.

Monikerroksinen kamera

Äskettäin uusia mahdollisuuksia korkealaatuisiin mittauksiin on tuonut monikerroksinen kadmium-telluridi-Compton-kamerasuunnittelu, jonka ensimmäisenä kehitti Tadayuki Takahashi ja kollegat Tokion yliopistosta.

Compton-kamerassa on vähintään kaksi materiaalikerrosta, jotka ovat vuorovaikutuksessa gammasäteiden kanssa ja havaitsevat niitä. Prosessi alkaa gammasäteilyn fotonilla, joka siroaa joustamattomasti (Compton) ensimmäisestä kerroksesta. Sitten toinen kerros absorboi fotonit. Käyttämällä molempien tapahtumien havaitsemisesta saatua sijaintitietoa tulevan gammasäteen lähde voidaan jäljittää avaruudessa olevaan ympyrään. Mittaamalla monia tällaisia vuorovaikutuksia, gammasäteen lähde voidaan osoittaa ympyröiden leikkauspisteeseen. Tämän seurauksena Compton-kameroilla on ollut tärkeä rooli gammasäteilyastronomiassa.

Takahashin suunnittelu todellakin kehitettiin ensimmäisen kerran käytettäväksi Japanin Hitomi-tehtävässä, joka oli onnekas avaruusteleskooppi, joka laukaistiin vuonna 2016. Go kuitenkin huomauttaa, että "tämän tyyppistä ilmaisinta on sittemmin käytetty useilla aloilla. Sen sovellukset vaihtelevat Japanin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen vapautuneiden radioaktiivisten aineiden paikantamisesta ydinlääketieteessä toimimiseen usean anturin seurantalaitteena.

Polarisaatiosta riippuvainen

Nyt Go:n tiimi on käyttänyt Takahashin Compton-kameraa ydinspektroskopiakokeessa, jossa mitattiin gammasäteiden polarisaatiota. Niiden tekniikka hyödyntää sitä tosiasiaa, että todennäköisyys, että fotoni on Compton-sironna tietyssä kulmassa, riippuu sen polarisaatiosta. Tämä tarkoittaa, että Compton-kameralla voidaan määrittää tunnetussa paikassa olevasta lähteestä peräisin olevan gammasäteen polarisaatio.

"Tämä lähestymistapa tarjoaa arvokasta tietoa virittyneiden ytimien gammasäteilyn lineaarisesta polarisaatiosta", Go sanoo.

Compton-kuvantaminen avaa uusia mahdollisuuksia diagnostiseen kuvantamiseen

Kokeessa tutkijat ampuivat protoninsäteen ohueen rautakalvoon. Jotkut näistä protoneista siroavat rauta-56-ytimistä, mikä saa ytimet virittyneeseen tilaan, joka hajoaa gammasäteilyn fotonin emission vaikutuksesta. Tässä periaatteentodistuskokeessa tämä ydinsiirtymä valittiin, koska gammasäteet emittoivat tunnetulla polarisaatiolla.

Gon ja kollegoiden iloksi heidän Compton-kameransa mittaama fotonipolarisaatio vastasi läheisesti tunnettua arvoa. Menestyksekkäästi uuden kokeellisen tekniikkansa demonstroinnin jälkeen Go:n tiimi toivoo, että kameraa voitaisiin pian soveltaa laajemmin huipputekniikan ydinspektroskopiakokeissa.

"Havaintoihimme kuuluu huomattavan korkea herkkyys ja tehokas tunnistustehokkuus", Go kuvailee. Hän sanoo, että tämä on erittäin hyödyllistä tutkittaessa harvinaisia radioaktiivisia ytimiä, mikä edellyttää erittäin pienten fotonien havaitsemista.

Tutkimusta kuvataan Tieteellinen raportit.