A NIST kvantumérzékelői pontosabbá tehetik a nukleáris anyagok ellenőrzését
A NIST kutatói korábban elérhetetlen pontossággal mérték a plutónium, az urán és a neptúnium röntgensugárzását. Az eredmények segíthetnek pontosabban nyomon követni a nukleáris anyagokat erőművekben és fegyverlétesítményekben.
- A NIST urán, plutónium és neptúnium röntgensugárzását mérte meg nagyobb pontossággal.
- A TES-érzékelők a korábbi mérésekhez képest egyharmad és egy nyolcad közé csökkentették a bizonytalanságot.
- A pontosabb adatok segíthetik a nukleáris anyagok izotóparányának meghatározását.
- A gyorsabb elemzés növelheti az erőművi folyamatok hatékonyságát és csökkentheti a költségeket.
- A NIST a hűtőrendszerek egyszerűsítésén, miniatürizálásán és költségcsökkentésén dolgozik.
A röntgensugárzás eddig zavarta a méréseket
A nukleáris anyagok mennyiségének és típusának ellenőrzésére a kutatók jellemzően az egyes radioaktív elemekre jellemző gamma-sugárzási mintázatot vizsgálják. Egyes elemek azonban ugyanabban az energiatartományban röntgensugarakat is kibocsátanak. Ez a háttérsugárzás elfedheti a gammajeleket, így nehezebbé válik a nukleáris készletek pontos felmérése.
A National Institute of Standards and Technology, vagyis a NIST kutatói most a plutónium, az urán és az urán bomlástermékeként létrejövő neptúnium átfedő energiatartományban kibocsátott röntgensugárzását mérték meg. A mérési bizonytalanságot a korábbi eredményekhez képest egyharmad és egy nyolcad közötti értékre csökkentették.
Miniatűr hőmérőként működő kvantumérzékelők
A vizsgálathoz a NIST által fejlesztett átmeneti élű érzékelők (transition edge sensors, TES) körülbelül 250 darabos tömbjét használták. Ezek a berendezések rendkívül érzékeny, miniatűr hőmérőként működnek. Egy szupravezető fóliából állnak, amelyet az abszolút nulla fok feletti hőmérséklet töredékén tartanak. Ebben az állapotban a fólia a nulla ellenállású szupravezető és a mérhető ellenállású közönséges fém közötti átmeneti tartományban van.
Amikor egy röntgenfoton eléri az érzékelőt, parányi hőt ad át neki, ami élesen növeli a fólia ellenállását. Az ellenállásváltozás közvetlenül összefügg a foton energiájával, ezért a TES nagy felbontással képes megmérni a sugárzás energiáját. A NIST szerint az érzékelők részletesebb spektrumot adtak, így a kutatók pontosabban el tudták különíteni a három radioaktív elem röntgen- és gammasugárzását.
A gyorsabb elemzés az erőművek működését is segítheti
A röntgensugárzás pontos mérése és levonása lehetővé teszi, hogy a gammaérzékelők pontosabban jellemezzék a nukleáris anyagokat. Ez az izotópok arányának meghatározásában is fontos. A természetben az urán teljes mennyiségének 0,7 százalékát adja az urán-235, az erőművi üzemanyaghoz néhány százalékos, a fegyverminőségű anyaghoz pedig 90 százalékos arányra kell dúsítani.
Jonathan Dean, a NIST és a University of Colorado Boulder fizikusa szerint a mérések támogatják a nemzetközi nukleáris biztosítékokat, mert pontosabbá teszik az anyagok nyilvántartását a nukleáris létesítményekben. A gyorsabb elemzés az erőművekben is hasznos lehet, ahol a nukleáris üzemanyag összetételét a folyamat több pontján újra ellenőrizni kell. A rövidebb mérési idő csökkentheti a lépések közötti várakozást, és a NIST szerint javíthatja a hatékonyságot, valamint mérsékelheti a költségeket.
A technológia telepítése és következő céljai
A TES-érzékelőket az abszolút nulla fok feletti hőmérséklet töredékére kell hűteni, ezért a szükséges berendezés egyelőre túl nagy ahhoz, hogy kézben hordozható legyen. Az érzékelőtömbök minden olyan helyszínen működhetnek, ahol elegendő villamos energia áll rendelkezésre a hűtőrendszer üzemeltetéséhez. Más esetekben a radioaktív anyag mintája külön laboratóriumba küldhető. Dean szerint a műszerek mindkét megközelítéssel kompatibilisek.
A NIST és a Los Alamos National Laboratory együttműködésében TES-érzékelőket telepítettek három amerikai energiaügyi laboratóriumba nukleáris anyagok megfigyelésére. A detektorokat kutatási projektekben a SLAC National Accelerator Laboratory, az Argonne National Laboratory, a Brookhaven National Laboratory, a CERN és több nemzetközi létesítmény is használja. A NIST közben az érzékelők pontosságának növelésén, valamint a hűtőberendezések egyszerűsítésén, kisebbé tételén és olcsóbbá tételén dolgozik. Két amerikai vállalat már gyártja a TES-ekhez tervezett kompakt hűtőrendszer NIST-féle változatát.
