Billedværktøj under udvikling afslører skjulte detonatorer - og deres ladning

Se neutronen, det mellemste barn af subatomære partikler. Til tider overskygget af sine elektrisk ladede søskende protonen og elektronen, neutroner spiller stille og roligt vigtige roller i den nationale sikkerhed. De starter nukleare reaktioner for våben og kraftværker. De bombarderer materialer til nuklear sikkerhedstest. Og nu har de en ny færdighed:at fortælle om en skjult, elektrisk detonator er opladet.

Sandia kvantesansekspert Yuan-Yu Jau hjælper neutroner med at udvikle deres talent. Han leder et forsøg på at bygge en ny slags neutronbaseret billeddannelsessystem. Når du er færdig, det vil give folk mulighed for sikkert at undersøge forseglede metalkasser, når det kan være farligt at åbne dem, om det er fordi indeni er et eksplosivt våben eller en funktionsfejl, højspændingsbrand opsat på et missilområde.

"Der er ingen andre teknologier, der direkte kan afbilde et elektrisk felt med fysiske barrierer, " sagde Jau. "En fordel ved denne billedteknologi er, at den absolut kan bestemme størrelsen og retningerne af de elektriske felter."

Jau har allerede vist, at neutroner er klar til opgaven på et stort, specialiseret anlæg - National Institute of Standards and Technology Center for Neutron Research i Gaithersburg, Maryland. Han er i øjeblikket ved at undersøge, hvordan man omdesigner systemet til et mindre, feltbar prototype til sikkerhedsapplikationer.

Kompakte neutrongeneratorer er kommercielt tilgængelige til laboratorier, medicinske og industrielle anvendelser, men stort set, disse spytter neutroner ud med så meget energi, at billeddannelsessystemet ikke kan manipulere og analysere dem. Jau arbejder på at bygge en brugerdefineret generator, der kaster neutroner med meget lavere energi.

National Nuclear Security Administration finansierer hans indsats.

Neutronspin afslører elektriske felter

En metalkasse, eller Faraday bur, blokerer elektromagnetiske bølger, der forsøger at komme ind eller ud. Dette skjuler elektrisk ladede enheder indeni og gør indholdet svært at sondere uden at åbne æsken. Ladede partikler som protoner og elektroner har problemer med at trænge igennem barrieren, hvilket giver neutrale neutroner mulighed for at skinne.

Neutroner passerer relativt let gennem metal, og selvom de ikke har en elektrisk ladning, de spinder. Det spin ændrer sig en smule, når partiklen passerer gennem et elektrisk felt. Jau udnytter dette fænomen ved at polarisere neutroner, så de har alle det samme spin, og affyre dem gennem en metalkasse ind i en detektor på den anden side.

Nogle af neutronerne når aldrig til detektoren, fordi de støder ind i den skjulte genstand. Neutronerne, der gør det, skaber en røntgen-lignende silhuet på detektoren. Af disse partikler, enhver, der også passerer gennem et elektrisk felt, vil have et andet spin, når de rammer detektoren, end da de startede. Dette skaber et andet billede, der viser, hvor elektriske felter er. Fra det billede, operatører kan tyde objektets spænding og om det er opladet, selvom den er slukket eller i dvaletilstand.

Ifølge Jau, neutroner kan også bruges på lignende måder til andre applikationer. De kunne bruges til at studere elektriske egenskaber af nye materialer, analysere lagerkapacitet i avancerede batterier eller diagnosticere elektriske komponenter af komplekse, samlede maskiner uden at fjerne dem.

"I praksis, forskellige applikationer kræver forskellig elektrisk feltfølsomhed og billedopløsning, " sagde Jau. "Det betyder ikke, at vores proof-of-concept demonstration er klar til alle applikationer. Flere af dem kan allerede udføres ved hjælp af den demonstrerede eksperimentelle opsætning, men nogle andre kræver yderligere forbedringer i ydeevne eller i feltbare teknologier."

Med andre ord, den mægtige neutron har måske flere overraskelsestalenter at vise frem i fremtiden.