Studerende får neutroner til at danse under UC Berkeley campus

I en underjordisk hvælving omsluttet af seks fods betonvægge og adgang til af en rullende, 25 tons beton- og ståldør, University of California, Berkeley, studerende får neutroner til at danse til en ny melodi:en, der er bedre egnet til at producere isotoper, der kræves til geologisk datering, politiets retsmedicin, hospitalsdiagnose og behandling.

Datering og retsmedicin er afhængige af en spray af neutroner til at omdanne atomer til radioaktive isotoper, som forråder den kemiske sammensætning af et stof, hjælpe med at spore en pistol eller afsløre en stens alder, for eksempel. Hospitaler bruger isotoper produceret af neutronbestråling til at dræbe tumorer eller lokalisere sygdomme som kræft i kroppen.

For disse applikationer, imidlertid, kun atomreaktorer kan producere en stærk nok spray af neutroner, og der er kun to sådanne reaktorer vest for Mississippi.

Som et alternativ, et hold, der inkluderer UC Berkeley-studerende, har bygget en bordplade neutronkilde, der ville være relativt billig at reproducere og i sidste ende bærbar og også i stand til at producere et snævrere udvalg af neutronenergier, minimere produktionen af ​​uønskede radioaktive biprodukter.

"Ethvert hospital i landet kunne have denne ting, de kunne bygge det for et par hundrede tusinde dollars for at lave lokalt, meget kortlivede medicinske isotoper - du kunne bare køre dem op i elevatoren til patienten, sagde Karl van Bibber, en UC Berkeley professor i atomteknik, der fører tilsyn med de studerende, der perfektionerer enheden. "Det har anvendelse i geokronologi, neutronaktiveringsanalyse for retshåndhævende myndigheder - når FBI ønsker at bestemme oprindelsen af ​​en prøve som bevis, for eksempel - neutronradiografi, at lede efter revner i flydele. Dette er meget kompakt, størrelsen af ​​en lille konvektionsovn; Jeg synes det er fantastisk, vi er spændte på det her."

Forskere fra UC Berkeley har nu påvist, at højflux neutrongeneratoren (HFNG) kan producere "boutique" neutroner - neutroner inden for et meget snævert energiområde - som kan bruges til nøjagtigt at datere finkornede bjergarter, der næsten er umulige at datere med andre radioisotopteknikker . Undersøgelsen vil blive offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

"Dette vil udvide mulighederne for at datere finkornede materialer, som lermineraler forbundet med malmforekomster, inklusive guld, eller lavastrømme, sagde Paul Renne, en UC Berkeley professor-in-residence i Department of Earth and Planetary Science og direktør for Berkeley Geochronology Center. "Denne enhed kan også lade os se på de mest primitive objekter i vores solsystem - calcium/aluminium-rige indeslutninger fundet i visse typer meteoritter - som også er meget finkornede."

Som de rapporterer i den nye avis, forskerne brugte neutrongeneratoren til at bestemme alderen på finkornet lava fra Vesuvs udbrud i 79 e.Kr. som begravede den romerske by Pompeji. Datoen, de beregnede, var lige så præcis som svaret givet af en udtømmende undersøgelse i 1997 ved hjælp af state-of-the-art argon-argon-datering af prøver bestrålet ved en atomreaktor.

"Det gør det muligt at gøre ting, som ellers ikke var muligt, sagde Renne.

Den lange vej til desktop-fusion

Renne har ledt efter bedre måder at bestråle klippeprøver i årtier og hørt om en mulig metode fra den afdøde UC Berkeley nuklear engineering professor Stanley Prussin, der døde i 2015. Teknikken involverer fusion af to deuteriumatomer, som er isotoper af brint, at producere helium-3 og én neutron. Disse neutroner har en energi - omkring 2,5 millioner elektronvolt - der er ideel til at bestråle klipper til at udføre argon-argon-datering, en af ​​de mest præcise metoder i brug i dag.

Argon-argon dating er afhængig af, at omkring én ud af hver 1. 000 kaliumatomer i sten er den radioaktive isotop kalium-40, som henfalder til argon-40 med en halveringstid på mere end en milliard år. Brug af neutroner, videnskabsmænd omdanner noget af det stabile kalium, kalium-39, til argon-39, mål derefter forholdet mellem Ar-40 og Ar-39 i prøven for at beregne dens alder.

Stenprøver skal nu bestråles ved atomreaktorer, men reaktorer producerer meget energiske neutroner, der kan slå argonatomer ud af prøven - et særligt problem for sten med mikroskopiske korn - og også producere uønskede radioaktive grundstoffer. Begge effekter gør aldersberegning vanskeligere.

HFNG undgår begge disse problemer, fordi neutronerne er en tiendedel af energien af ​​dem fra en atomreaktor og har et snævrere energiområde, mens den stadig opretholder en høj flux af neutroner.

"Eliminering af rekylproblemet, plus reduktion af forstyrrende reaktioner, er enorm, " sagde Renne. "Men de radiologiske aspekter er også forbedret."

"Det skønne ved denne ting, vi indså, er, at du ikke har denne ting, der spyr neutroner overalt og skaber et radiologisk problem, " tilføjede van Bibber, hvem er Shankar Sastrys formand for ledelse og innovation. "Du har faktisk et beskedent antal neutroner, men ved at bringe målet tæt på punktkilden - det der betyder noget - er neutronfluxen ved prøven meget høj."

Den første enhed til at skabe neutroner via deuterium-deuterium (D-D) fusion blev designet for 10 år siden af ​​Rennes team, som omfattede plasmafysiker Ka-Ngo Leung, tidligere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Men deres prototype sygnede hen, indtil van Bibber interesserede sig i 2012, kort efter hans udnævnelse som formand for UC Berkeley's Department of Nuclear Engineering. For at huse fusionsgeneratoren, van Bibber overtog en betonhvælving, der tidligere blev brugt til eksperimenter udført med campus' atomreaktor, som plejede at sidde under det, der nu er Soda Hall - selvom det sidder i et stort underjordisk rum, der er en del af kælderen i Etcheverry Hall - indtil reaktoren lukkede i 1987 og blev fjernet.

Generatoren beskæftiger omkring 100, 000 volt for at accelerere ioniserede deuteriumatomer mod en metalkatode lavet af titanium. Deuterium akkumuleres på katoden i et tyndt lag, der derefter tjener som mål for andre indkommende ioner. Når kolliderende deuteroner smelter sammen, en neutron er produceret i en bred stråle, der bestråler prøven placeret omkring en tredjedel af en tomme væk.

I årenes løb, van Bibber hvervede mange studerende, kandidatstuderende og postdoc-stipendiater for at hjælpe med at gøre neutrongeneratoren til en realitet. En af dem, transfer elev Max Wallace, en voksende senior interesseret i nuklear efterforskning, var overrasket over den adgang, han havde til sådan en maskine.

"Det er sjældent at kunne arbejde med radioisotoper som bachelor, " sagde den tidligere softwareingeniør. "Jeg lærte at lave så meget sent om aftenen, iført handsker og beskyttelsesbriller for at måle strålingen, tage prøver, laver sikkerhedstjek og kører softwaren. Virkelig, Jeg ville lære noget i min kernefysiktime og så komme herned for at arbejde på en direkte anvendelse af det."

For Mauricio Ayllon Unzueta, en fjerdeårs kandidatstuderende i nuklear teknik, den erfaring, han opnåede med at hjælpe med at perfektionere neutrongeneratoren, førte direkte til et nyt projekt hos Berkeley Lab:design af en variant af HFNG, der kunne tages med i marken for at udføre neutronaktivering af jord for at måle kulstofindholdet - en vigtig information hvis samfundet håber at binde kulstof i jorden for at afbøde klimaændringerne.

"Gennem tre generationer af kandidatstuderende, vi forvandlede det fra noget, der knap nok fungerede, til en højtydende neutrongenerator, " sagde van Bibber.

Daniel Rutte, en UC Berkeley postdoc forsker i geologi, der arbejder med Renne og BGC lab manager Tim Becker, spillede en afgørende rolle i at designe og udføre det første datingeksperiment, ifølge Renne.

"Daniel var bogstaveligt talt nøglespilleren i at demonstrere, at dette ville fungere for Ar-Ar geokronologi, " han sagde.

Ruttes mål er at udvikle nye metoder og instrumenter til bedre at forstå Jordens processer, især deformationen af ​​jordskorpen, som opstår ved langsom krybning eller hurtig brud, der resulterer i jordskælv.

"For at forstå langsigtet skorpedeformation, Jeg dater gamle brud, der er bevaret i rockpladen, " sagde Rutte. "Neutrongeneratoren vil hjælpe med fremskridt på dette område ved at udvide rækken af ​​materialer, vi kan datere."

Med løbende elevhjælp, van Bibber og Renne forventer at kunne gøre neutrongeneratoren mere kompakt og producere en mere intens spray af neutroner, gør det mere bredt anvendeligt til geokronologi, såvel som til andre specialiserede anvendelser. Forskere ved UC Berkeley's Space Sciences Laboratory har allerede vist interesse for at bruge disse neutroner til at teste elektronisk hardware for at bestemme, hvordan det vil overleve i det radioaktive miljø i rummet. Neutroner med højere energi kunne bruges til neutronradiografi, som kan komplementere røntgenstråler til billeddannelse af det indre af tætte genstande, som metaller.

"Formålet havde hele tiden været at teste Pauls drøm om, hvorvidt vi kunne bruge en meget kompakt, lavspændingsenhed til at udføre neutronbestråling, " sagde van Bibber. "Vi har nu vist, at ethvert universitet kan have en neutronkilde til at udføre argon-argon-dateringsteknikken."