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《DARPA启动“伽马射线检测技术”项目，推动伽马射线在国家安全、工业和医疗等领域的应用》

  • 来源专题：中国科学院文献情报生命健康领域集成服务门户
  • 编译者： 江洪波
  • 发布时间：2019-07-21

  • 6月14日，DARPA启动“伽马射线检测技术”（Gamma Ray Inspection Technology，GRIT）项目，推动伽马射线在国家安全、工业和医疗等领域的应用。DARPA认为，X射线和伽马射线的检测功能在安全、海运、工业和医疗等领域中已经得到广泛应用，但产生伽马射线的条件较为苛刻限制了伽马射线的应用成本和效率。因此，DARPA希望通过GRIT项目将伽马射线的强度从千电子伏特（keV）提高到兆电子伏特（MeV）量级，并具备调节功能，以实现射线检测的新突破。

  • 原文来源：;https://www.darpa.mil/news-events/2019-06-14
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  • 《劳伦斯·伯克利国家实验室获批开发3D伽马射线探测器》
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    • 编译者：魏韧
    • 发布时间：2021-03-16
    • 伽马射线能量跟踪阵列（GRETA）是一种先进的高纯度锗晶体球状阵列，可测量伽马射线信号，揭示原子核结构和内部作用的细节。2020年10月7日，美国能源部批准了GRETA项目，包括工作范围、进度表以及建设工程规划，这是一个关键的里程碑事件。 伽马射线是一种能量大、穿透力强的射线，当原子核从不稳定状态衰变为更稳定的状态时就会发出伽马射线。GRETA将提供有关物质性质和恒星如何创造元素的新见解，预计第一阶段的工作将在2023年完成，最终于2025年完工。它以伽马射线能量跟踪束内核阵列（GRETINA）为基础，该仪器的伽马射线探测晶体较少。 伯克利实验室在GRETINA和GRETA项目中发挥了领导作用，其核物理学家和工程师正在与阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室以及密歇根州立大学的团队合作开发GRETA。获得批准标志着成功完成了最终设计，并已经准备好建造这一阵列。下一个关键步骤是制造一米宽的铝制球体，以容纳探测器。 GRETINA和GRETA将安装在密歇根州立大学的稀有同位素束流设施（FRIB）中，该设施将于2022年投入运行。9月29日，FRIB被正式指定为美国能源部科学办公室用户设施的新成员。这样的用户设施现有28个，向美国和世界各地科学家开放。已有约1400名科学用户排队申请该设施的核物理实验。FRIB仍在建设中，进度约94%。 GRETINA配备了12个探测器模块和48个探测器晶体，GRETA还将增加18个探测器模块，共计30个模块和120个晶体。预计2024年底前将在GRETA内安装约18—20个探测器模块，2025年安装最终模块。 FRIB产生的稀有同位素束流击中固定目标时，可发生多种核反应。这些反应可以产生不同寻常的原子核，原子核发射出一系列伽马射线，从而提供关于原子核内部结构的信息。GRETA将全面包围这些目标，以获得各个方向和各种能量的伽马射线详细数据。超快电子技术将使探测器每个晶体每秒捕获多达5万个信号，专用计算集群将对每秒检测到的48万个伽马射线之间的相互作用进行实时处理。 FRIB将配备一台强大的加速器，可以利用像铀这样重的元素产生粒子束，具备利用高能束爆破目标的能力，可创造和研究1000多种新同位素。GRETA的设计非常灵活，可以容纳多种实验仪器，也可以移动，因此可以在FRIB的不同实验场所和其他设施使用，其还将服务于阿贡国家实验室的阿贡串列直线加速器系统（ATLAS）。GRETA将是FRIB许多实验的关键——计划在FRIB进行的实验中，约三分之二的研究将使用GRETA探测器。 GRETA的用途之一是在同位素变得不稳定之前，研究其富含中子的形式。这个极端状态被称为原子核滴线（drip line），代表了同位素无法携带更多中子之前的临界形式。GRETA还将被用于识别梨形（pear-like）原子核。此类实验将帮助科学家了解原子核性质的极限，提供关键数据，发现新的原子核，检验对自然界基本相互作用和支配物质结构作用力的理解。FRIB和GRETA在核科学实验中的灵敏度将比现有加速器和探测器的灵敏度高出10到100倍。 GRETA将在伯克利实验室进行建造、组装和测试，然后运往FRIB。伯克利实验室领导探测器的开发，并负责监督交付过程，同时还领导GRETA信号处理电子、计算和机械系统的设计和制造，大约25名伯克利实验室的科学家和工程师参与了GRETA项目；阿贡实验室正在开发有关触发和定时系统的电子设备；密歇根州立大学负责表征探测器性能；橡树岭实验室负责实时信号处理，以定位GRETA晶体内的伽马射线相互作用。GRETA建成后，伯克利实验室将继续在其电子、计算、升级、以及配置仪器方面发挥作用。
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  • 《首个单原子的X射线来了》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-06-09
    • 在美国俄亥俄大学物理学教授、阿贡国家实验室科学家Saw Wai Hla的带领下，来自俄亥俄大学、阿贡国家实验室、美国伊利诺伊大学芝加哥分校和其他机构的科学家组成的团队获得了世界上第一个单原子的X射线信号。这项由美国能源部基础能源科学办公室资助的突破性的成就，可能会彻底改变科学家探测材料的方式。5月31日，相关论文发表于《自然》，并在6月1日登上《自然》纸质版的封面。 自从1895年德国物理学家伦琴发现X射线以来，X射线已被广泛应用——从医学检查到机场的安全检查，甚至美国宇航局的火星探测器“好奇号”，也配备了X射线设备来检查火星岩石的物质组成。X射线在科学上的一个重要用途是鉴定样品中的材料类型。多年来，由于同步加速器X射线源和新仪器的发展，X射线检测需要的样品材料数量大大减少。到目前为止，一个样品能用X射线照射的最小量是微微微克，相当于1万个或更多的原子。这是由于原子产生的X射线信号极其微弱，以致于传统的X射线探测器无法探测到它。 Hla说，科学家长期以来的梦想就是对一个原子进行X射线探测。现在，由他领导的研究团队正在实现这一梦想。 “用扫描探针显微镜可以对原子进行常规成像，但是没有X射线，人们就无法知道它们是由什么构成的。我们现在可以精确地检测出特定原子的类型，一次一个原子，并且可以同时测量它的化学状态。”Hla 解释道，“一旦我们能够做到这一点，就可以追踪这些材料到一个原子的极限。这将对环境和医学科学产生重大影响，甚至可能找到对人类产生巨大影响的治疗方法。这一发现将改变世界。” 研究小组选择了一个铁原子和一个铽原子，它们都被插入各自的分子宿主中。为了检测一个原子的X射线信号，研究小组在传统X射线探测器的基础上补充了一个专门的探测器，该探测器由位于样品附近的尖锐金属端制成，用来收集X射线激发的电子——这种技术被称为同步加速器X射线扫描隧道显微镜（SX-STM）。SX-STM中的X射线光谱是由核心能级电子的光吸收触发的，构成元素指纹，可以有效地直接识别样品的元素类型。 根据Hla的说法，这些光谱就像指纹一样，每一个都是独一无二的，能够准确地检测出样品是什么。 “这项研究中使用的技术和验证的概念，在X射线科学和纳米尺度的研究中开辟了新领域。”论文第一作者Tolulope Michael Ajayi说，“更重要的是，使用X射线探测和表征单个原子可能会给研究带来革命性变化，并在量子信息、微量元素检测等领域催生新技术，同时也为先进的材料科学仪器研发开辟了道路。” 过去12年里，Hla与阿贡国家实验室先进光源科学家Volker Rose一起参与了SX-STM仪器及其测量方法的开发。 Hla的研究重点是纳米和量子科学，特别强调在基本层面上理解材料的化学和物理性质——以单个原子为基础。除了获得单个原子的X射线特征外，该团队的主要目标是使用该技术研究环境对单个稀土原子的影响。 “我们也检测到了单个原子的化学状态。”Hla解释说，“通过比较分子宿主内铁原子和铽原子的化学状态，我们发现铽原子是一种相当孤立的稀土金属，当铁原子与其周围强烈相互作用时，铽的化学状态不会改变。” 许多稀土材料用于日常设备，如手机、电脑和电视，在创造和推进技术方面极其重要。通过这一发现，科学家现在不仅可以确定元素的类型，还可以识别其化学状态，这将使他们能够更好地操纵不同材料宿主内的原子，以满足各个领域不断变化的需求。此外，他们还开发了一种名为X射线激发共振隧道（X-ERT）的新方法，使他们能够使用同步加速器X射线检测材料表面上单个分子的轨道方向。（来源：中国科学报 文乐乐） 相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41586-023-06011-w .
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