Hvordan lasere kan hjælpe med overvågning af nuklear ikke -spredning

Bjerge. Forsendelsescontainere. Mars 'overflade.

Der er tidspunkter, hvor det er kompliceret eller umuligt at bringe en prøve til et laboratorium for at teste dens sammensætning.

Dette gælder især, når det kommer til at detektere eksplosioner indeholdende nukleart materiale. Registrering, der kan foretages hurtigt eller på stedet, minimerer menneskelig eksponering under farlige samlinger eller laboratorieanalyser.

Imidlertid, atomkemiens art - især oxidation, måden uran interagerer med ilt under en atomeksplosion - er stort set ukendt, efterlader huller i vores evne til nøjagtigt at identificere atomaktiviteter. Et team af forskere under ledelse af PNNL -fysikeren Sivanandan S. Harilal arbejder på at udvide vores forståelse af urankemi ved hjælp af et overraskende værktøj:lasere.

Metoden, detaljeret i en nylig artikel i Journal of Analytical Atomic Spectrometry, viser, hvordan måling af lyset, der produceres i plasma fremstillet af en laser, kan bruges til at forstå uranoxidation i nukleare ildkugler. Denne kapacitet giver aldrig før set indsigt i urangasfaseoxidation under nukleare eksplosioner. Denne indsigt skrider yderligere frem mod en pålidelig, berøringsfri metode til fjerndetektering af uranelementer og isotoper, med konsekvenser for ikkespredningssikringer, eksplosionsovervågning og traktatverifikation.

Ikke -spredningsplasma

Et pulserende, hurtig-som lysende laser sprænger ind i et fast materiale og ophidser atomerne, så de fordamper i en lille, farvestrålende plum af farvestrålende. Reaktionen, når atomer hopper ind i denne superhot plasma plume udsender lys, som forskere kan fange og studere ved hjælp af optisk spektroskopi.

Plasmaer lavet af forskellige elementer ved forskellige temperaturer udsender forskellige bølgelængder af lys, som hver især giver en tydelig farve. Dermed, farven på plasma i et stearinlys flamme er anderledes end plasmaet fremstillet i et neonskilt, eller den mikroskopiske plasmaplume, Harilal og hans team genererer for at undersøge uran.

De forskellige lysfarver, der udsendes af et plasma, er de samme, uanset hvor meget et materiale der bliver til et plasma. Harilals uranlaserproducerede plasma (LPP) er fremstillet af en så lille mængde nukleart materiale, at metoden kan betragtes som ikke-destruktiv. Ikke desto mindre, lysmålingerne, som forskere får fra LPP, ligner reaktionerne i ildkuglen, der blev produceret under en atomeksplosion.

"Det er et spørgsmål om skala, "siger Harilal." Laserne skaber den samme ildkuglekemi, der sker i en atomeksplosion, så vi kan studere kemien og hvordan den reagerer på forskellige miljøforhold. Den er lille, men lyset er godt. Vi kan indsamle det uden problemer. "

Ser lyset i LPP

Selvom lys fra plasma er let at indsamle, forskellen i lysets bølgelængder, som specifikke molekyler udsender, er vanskeligere at tyde. Og uran er så reaktivt med ilt i eksplosionens ildkugle, at det skaber mange forskellige kombinationer af uranoxid. Disse molekylære kombinationer kan være hvor som helst fra et uranatom parret med et enkelt oxygenatom, til flere uranatomer bundet til hele otte iltatomer.

Flere uranarter komplicerer straks, hvordan spektroskopi dekrypterer let lysopsamling. Disse uranarter udsender lys i et så stramt farvespektrum med så små forskelle i bølgelængder, at hver bølgelængde kun begynder at blive matchet med dens respektive uranoxidovergang.

Forskerne zoomede ind på det stramme spektrum af bølgelængder ved hjælp af smalbåndsfiltre, som teamet tidligere havde udviklet. Disse smalbåndsfiltre virker ved at isolere lyset, der udsendes ved bestemte bølgelængder, så kun de bølgelængder, der er tilknyttet specifikke arter, indsamles og analyseres.

Et filter måler kun atomuran, og et andet målt uranoxid i plasmaet under laserpulserne. Holdet målte derefter lyset fra plasmaet, da de øgede ilt i miljøet, ser for at se, hvordan kemien ændrede sig i nærvær af mere ilt.

Ved hjælp af præcist timede øjebliksbilleder af plasmaet (kaldet hurtiggated billeddannelse), Harilal og hans team observerede direkte, hvordan uranmonoxid og uranatomer bevægede sig gennem LPP over tid og efter sted. Dette lod dem se, hvordan og hvor arten blev dannet, og hvordan de vedblev, da plasmasprøjten ekspanderede og forsvandt.

Bølgelængder til ikke -spredning

Teamet fandt ud af, at uranoxider dannes længere fra målet, hvor lavere temperaturer favoriserer molekylær rekombination. Uranoxider dannes også på senere tidspunkter i plasmaets levetid. Når der er mere ilt til stede, plasmaerne holder ikke så længe.

At forstå udviklingen af ​​uranatomer til uranmonoxid til højere oxider er afgørende for forudsigelig modellering af eksplosionshændelser. Præcis, eksperimentelt validerede modeller betyder mere effektiv nuklear ikke -spredningsovervågning og bedre overordnet forståelse af urankemi.

Ud over at hjælpe forskere med bedre at forstå uranplasmakemi, de laserbaserede teknikker, der bruges i dette arbejde, er også under udvikling til inden for området, fjernovervågning af ikke -spredning også. Da laserablation kombineret med optisk emissionsspektroskopi måler lys, der udsendes fra et plasma, dataindsamling kan foretages fra et sikkert, afstand, der ikke kræver prøvehåndtering. Denne teknik har konsekvenser for nuklear retsmedicin og overvågning af sikkerhedsforanstaltninger.