Kompakt, præcis fotonstråle kunne hjælpe med nuklear sikkerhed, siger rapporten

En ny, kompakt teknik til at producere stråler af højenergifotoner (lyspartikler) med præcist kontrolleret energi og retning kunne "se" gennem tykt stål og beton for lettere at detektere og identificere skjulte eller smuglede nukleare materialer, ifølge en rapport ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Disse fotoner ligner røntgenstråler, men har endnu højere fotonenergi end konventionelle røntgenstråler, som lader dem trænge ind i tykke materialer.

Tidligere teknikker har haft store spredninger i energi og vinkel, der begrænsede deres effektivitet. Nye udviklinger kunne bringe mulighederne for meget præcise, faciliteter i bygningsstørrelse til rumstore eller mobile platforme, der muliggør en række højprioriterede nukleare ikke-sprednings- og sikkerhedsanvendelser.

Denne præcision kan samtidig øge opløsningen og samtidig producere en lavere strålingsdosis til mange anvendelser inden for og uden for nuklear sikkerhed, såsom:

• Detektering af smuglergods eller sprængstoffer.
• Verifikation af indholdet af beholdere, der opbevarer brugt atomreaktorbrændsel.
• Overvågning af overholdelse af nuklear traktat.
• Detektering af en skjult nuklear enhed.
• Karakteriserende farer efter en atomulykke.
• Industriel kvalitetskontrol – og potentielt medicinsk røntgen.

"Denne rapport er fokuseret på, hvilken type kilde der er nødvendig for at have den største effekt, snarere end hvad der er blevet udviklet til dato, " sagde John Valentine, Berkeley Labs programleder for National &Homeland Security. "Det udstikker køreplanen for at realisere applikationer." Rapporten er udarbejdet for National Nuclear Security Administration (NNSA), et DOE-agentur med ansvar for national sikkerhedsfokuseret anvendelse af nuklear videnskab.

"En stor applikation for denne type teknologi er påvisning af skjult nukleart materiale - f.eks. skjult i lastcontainere eller et køretøj – men det har bred anvendelse til at opdage andre typer smuglergods, " sagde Cameron Geddes, en ansat videnskabsmand i laboratoriets Berkeley Laboratory Laser Accelerator (BELLA) Center. Geddes ledede udarbejdelsen af ​​rapporten sammen med Bernhard Ludewigt, en stabsforsker i laboratoriets Fusion Science and Ion Beam Technology Group, en del af Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) divisionen.

Geddes og Ludewigt arbejdede sammen med et team af forskere fra Pacific Northwest, Idaho, og Lawrence Livermore nationale laboratorier, samt University of Michigan, at udføre detaljerede simuleringer, der viste de forbedrede muligheder, som de nye teknikker ville muliggøre.

"Eksisterende teknologier bruger almindeligvis såkaldte 'Bremsstrahlung'-kilder til at opdage og identificere nukleare materialer, " sagde Ludewigt. Denne form for strålingskilde er ikke stramt rettet og leverer en vifteformet spredning over et bredt energiområde af stråling. Disse egenskaber kan begrænse billeddannelsesmuligheder og kræve højere strålingsdoser.

Kendt som en "monoenergetisk fotonkilde, "den nye teknologi ville have en tæt kollimeret stråle - hvilket betyder, at dens fotoner vil bevæge sig næsten parallelt med hinanden i en smal bane. Disse fotoner vil også have et smalt og præcist afstembart energiområde. Disse egenskaber ville reducere den strålingsoutput, der er nødvendig under scanninger sammenlignet med til andre teknologier, der bruges i dag. De ville også reducere effekten af ​​uønskede signaler, såsom støj fra spredte fotoner, som kan forstyrre påvisningen af ​​nukleare materialer.

Ved scanning efter skjulte nukleare materialer, Ludewigt sagde, "Du ønsker ikke at skulle åbne enhver container, der har noget tæt i sig." Evnen til hurtigt at scanne store objekter, såsom lastcontainere, er også nøglen, som millioner af fragtcontainere strømmer ind i USA hvert år.

Scanningsteknikkens stråle skal også være sikker for mennesker, der utilsigtet kan komme i kontakt med den, Geddes tilføjede. "Det betyder, at vi skal udføre detektion med høj specificitet og samtidig holde dosis lav, så hvis nogen gemmer sig i lastcontaineren, vil scanningen ikke skade dem, " han sagde.

Simuleringer viser, for eksempel, at scanning ved to separate energiområder ville gøre det muligt for operatører at identificere den generelle type materialer, der er til stede. Hvis der i denne indledende scanning opdages et objekt, der er så tykt eller tæt, at det kræver en mere dybtgående scanning for at udforske indholdet, så ved at indstille energien til specifikke værdier kunne den samme fotonkilde bruges til at identificere, om en genstand er nukleart materiale.

Med meget stram kontrol over stråleenergien, den nye kilde kunne også identificere det nøjagtige grundstof – inklusive isotoper af grundstoffer, som har en anden atomvægt og kan være vigtige for at måle nukleare sikkerhedstrusler.

Rapporten bemærker også, at strålens reducerede strålingsdosis og øgede specificitet i materialedetektion kan have en stærk indvirkning på andre områder, der bruger højenergifotoner, herunder medicinske og industrielle anvendelser. En sådan kilde ville for eksempel, forbedre ikke-destruktiv industriel analyse – evnen til at se ind i maskineri uden behov for adskillelse.

Mens partikelacceleratorer i bygningsstørrelse længe har været i stand til at præcisere, monoenergetiske fotonstråler, ny teknologi kan krympe disse systemer, gør dem mere overkommelige og kompakte for at muliggøre bred brug.

"I stedet for at bringe applikationerne til maskinen, vi håber at bringe maskinen til applikationerne, om det betyder scanning af last, verifikation af overholdelse af traktaterne, eller mange andre anvendelser, sagde Wim Leemans, direktør for Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center og laboratoriets ATAP-afdeling.

Berkeley Lab er blandt de førende i den verdensomspændende indsats for at udvikle nye, kompakte accelerationsteknologier på deres BELLA Center. BELLA bruger lasere til at generere en supervarm tilstand af stof kendt som plasma, og at generere bundter af elektroner og hurtigt accelerere dem til høje energier over en meget kort afstand.

Eksperimenter har allerede vist, at BELLAs plasma-baserede acceleratorer kan producere de typer elektronstråler, der er nødvendige for at realisere en styret højenergi-fotonstråle, der ville opfylde kravene beskrevet i rapporten.

Geddes leder et separat BELLA Center-projekt for at demonstrere en kompakt monoenergetisk kilde. Strålerne ville blive genereret ved spredning af en separat laserstråle fra højenergielektronstrålen fra en plasmaaccelerator for at producere pulserende fotonstråler med et snævert område af energier og kontrollerede vinkler, en proces kaldet Thomson-spredning. Den nye rapport beskriver, hvordan sådanne stråler kunne forbedre identifikation og billedkvalitet af nukleare materialer.

"Vi tester nye teknologier, der kan reducere de massive skalaer og omkostninger ved næste generations acceleratorer, sætter os i stand til at udforske nye områder inden for fysik, " sagde Leemans. Disse omfatter næste generation af højenergipartikelkollidere, og fri-elektron lasere, der producerer verdens lyseste røntgenstråler. Alle disse kræver hurtigere pulshastigheder for laserne, der driver de nye kilder, og R&D er også i gang mod pulsfrekvenser, der vil muliggøre de teknikker, der er skitseret i rapporten.