The scintillating fibre beam monitor for the CHNet-MAXI experiment at ISIS: characterisation of the light collection and detection system

In de verstilde studie van de oude geschiedenis is lood een stille verhalenverteller. Eeuwenlang hebben ambachtslieden dit metaal gevormd tot alles van Romeinse pijpen tot renaissancebeelhouwwerken, maar de specifieke oorsprong van het erts dat voor deze objecten werd gebruikt, blijft vaak een mysterie. De verschillende stabiele vormen van loodatomen, bekend als isotopen, fungeren als een chemische vingerafdruk die onthult in welke mijn het metaal oorspronkelijk is opgegraven. Het lezen van deze vingerafdruk zonder het kostbare artefact te beschadigen, is echter lang een uitdaging geweest. Een nieuwe aanpak, waarbij gebruik wordt gemaakt van een bundel subatomaire deeltjes genaamd muon, biedt een manier om op een niet-destructieve wijze in deze objecten te kijken. Wanneer een muon wordt gevangen door een loodatoom, veroorzaakt dit een cascade van energie die de identiteit van het atoom onthult. Om deze techniek te laten werken, moeten wetenschappers eerst de kunst beheersen van het leiden en tellen van deze vluchtige deeltjes met extreme precisie, om ervoor te zorgen dat elke meting nauwkeurig is en elk artefact onaangetast blijft.

Bij de ISIS Neutron and Muon Source in het Verenigd Koninkrijk bereidt een team van onderzoekers zich voor op een belangrijk experiment genaamd CHNet-MAXI, ontworpen om de geheimen van lood in cultureel erfgoed te ontrafelen. Voordat ze aan hun werk aan antieke artefacten konden beginnen, moesten ze een gespecialiseerd instrument bouwen en testen: een bundelmonitor. Dit apparaat fungeert als een hogesnelheidscamera voor de deeltjesbundel, die precies bijhoudt waar de muon zich bevindt en hoeveel er op elk gegeven moment passeren. De monitor is geconstrueerd uit twee platte lagen kunststof vezels, waarbij elke vezel een piepklein, vierkant buisje is van drie millimeter breed en tien centimeter lang. Deze vezels zijn gerangschikt in een rooster, waarbij één laag de horizontale positie meet en de andere de verticale positie. Wanneer een deeltje een vezel raakt, produceert dit een lichtflits, die vervolgens wordt opgevangen door gevoelige elektronische ogen genaamd siliciumfotomultiplicatoren. De gehele assemblage is een delicaat netwerk van zesentwintig vezels, waarvan elke verbonden is met zijn eigen elektronische sensor, alles gehuisvest in een op maat gemaakte 3D-geprinte behuizing.

De onderzoekers wisten dat voor het slagen van het experiment deze monitor perfect moest zijn. Ze moesten precies begrijpen hoe het licht door de vezels reist en hoe de elektronische sensoren daarop reageren. Hiervoor maakten ze gebruik van krachtige computersimulaties. Door een virtueel model van de detector te creëren, konden ze observeren hoe een bundel muon zich zou gedragen terwijl deze door de vezels trok. De simulaties toonden aan dat de muonen, bij het specifieke energieniveau dat voor het experiment was gekozen, door de eerste laag vezels zouden reizen en vervolgens binnen de tweede laag zouden stoppen, waarbij ze hun energie op een voorspelbare manier afgeven. Deze computermodellering was cruciaal omdat het het team hielp een correctiefactor te berekenen, een wiskundige aanpassing die nodig is om de ruwe elektrische signalen om te zetten in een nauwkeurige telling van de deeltjes. De simulaties suggereerden dat, omdat de vezels zo dicht op elkaar gepakt zitten, bijna elke muon ten minste één vezel zal raken, wat betekent dat de correctiefactor zeer dicht bij één zal liggen, wat de uiteindelijke berekeningen aanzienlijk vereenvoudigt.

Met de theorie in gereedheid, nam het team de detector mee naar een andere faciliteit in Italië, het CNAO-centrum, om deze te testen met een bundel protonen. Dit was een generale repetitie met een ander type deeltje, maar één die hen in staat stelde de hardware en de gegevensverzamelsystemen te controleren. Ze vuurden een bundel protonen op de detector en bekeken de resultaten op een scherm. Het apparaat werkte en bracht de vorm van de bundel succesvol in kaart, waarmee werd bevestigd dat de elektronica de taak aan kon. De initiële gegevens onthulden echter een probleem: de respons was niet uniform. Sommige vezels rapporteerden een sterker signaal dan andere, zelfs wanneer ze door dezelfde hoeveelheid energie werden geraakt. Deze ongelijkmatigheid zou de uiteindelijke afbeeldingen van de antieke artefacten hebben vervormd, waardoor sommige delen helderder of donkerder zouden lijken dan ze in werkelijkheid waren. Het team realiseerde zich dat ze, voordat ze de device konden vertrouwen met echte muonen, de gevoeligheid van elke afzonderlijke vezel in balans moesten brengen.

Om dit op te lossen, voerden de onderzoekers een zorgvuldige kalibratie uit met behulp van een gammastralingsbron. Ze plaatsten een kleine radioactieve bron boven de detector en maten de lichtopbrengst van elke van de zesentwintig vezels. Omdat de bron straling uitzendt in een voorspelbaar patroon, wisten de onderzoekers precies hoeveel licht elke vezel zou produceren op basis van de afstand tot de bron. Ze vergeleken de werkelijke metingen met dit verwachte patroon. Waar een vezel te gevoelig was, pasten ze een kleine reductiefactor toe; waar een vezel te zwak was, pasten ze een versterking toe. Dit proces, bekend als egalisatie, maakte de verschillen tussen de kanalen glad. Na de aanpassing produceerde de detector een schoon, uniform beeld van de bundel, zonder kunstmatige hotspots of koude plekken. Het team verifieerde dat deze kalibratie de algehele grootte of positie van de bundel niet veranderde, maar alleen de consistentie van het signaal over het oppervlak.

De laatste stap was om de detector naar de ISIS-faciliteit te brengen, waar deze zal worden gemonteerd op de beamline voor het CHNet-MAXI-experiment. Het apparaat is nu klaar om de ogen van het experiment te dienen, door elke passerende muon te tellen en ervoor te zorgen dat de verzamelde gegevens van de antieke loodmonsters correct worden genormaliseerd. Door precies te weten hoeveel deeltjes een monster raken, kunnen de wetenschappers de isotopische verhoudingen nauwkeurig bepalen zonder het artefact ooit aan te raken. Het succesvolle testen en kalibreren van deze scintillerende vezelmonitor vormt een cruciale mijlpaal. Het transformeert een complexe assemblage van kunststof en elektronica in een betrouwbaar wetenschappelijk instrument, wat de weg vrijmaakt voor een nieuw tijdperk van niet-destructieve analyse in de archeologie. Het pad van de computersimulaties naar de uiteindelijke kalibratie heeft ervoor gezorgd dat wanneer het eerste antieke object wordt gescand, de resultaten even helder en waarachtig zullen zijn als de geschiedenis die ze bedoeld zijn te onthullen.