Dens elementære:Ultra-spordetektor tester guldrenhed

Medmindre der opdages radongas ved et huseftersyn, de fleste mennesker forbliver lykkeligt uvidende om, at sten som granit, metalmalm, og nogle jordarter indeholder naturligt forekommende strålingskilder. I de fleste tilfælde, lave niveauer af stråling er ikke et sundhedsproblem. Men nogle videnskabsmænd og ingeniører er bekymrede over selv sporniveauer af stråling, som kan skabe kaos på følsomt udstyr. Halvlederindustrien, for eksempel, bruger milliarder hvert år på at hente og "skrubbe" ultrasporniveauer af radioaktive materialer fra mikrochips, transistorer og følsomme sensorer.

Nu har kemikere ved det amerikanske energiministeriums Pacific Northwest National Laboratory udviklet en enkel og pålidelig metode, der lover at transformere, hvordan ultrasporelementer adskilles og detekteres. Lave niveauer af besværlige naturligt forekommende radioaktive elementer som uran og thorium atomer er ofte gemt blandt værdifulde metaller som guld og kobber. Det har været usædvanligt svært, upraktisk, eller endda umuligt, i nogle tilfælde, at drille ud af, hvor meget der findes i prøver af malm udvundet over hele kloden.

Alligevel er indkøb af materialer med meget lave niveauer af naturlig stråling afgørende for visse typer følsomme instrumenter og detektorer, som dem, der søger efter beviser for i øjeblikket uopdagede partikler, som mange fysikere mener faktisk udgør det meste af universet.

"Vi skubber virkelig på konvolutten på opdagelse, " sagde kemiker Khadouja Harouaka. "Vi ønsker at måle meget lave niveauer af thorium og uran i komponenter, der går ind i nogle af de mest følsomme detektorer i verden. Det er særligt vanskeligt at måle lave niveauer af thorium og uran i ædle metaller som det guld, der går ind i de elektriske komponenter i disse detektorer. Med denne nye teknik, vi kan overvinde den udfordring og opnå detektionsgrænser så lave som 10 dele pr. billion i guld."

Det er som at prøve at finde et firkløver i omkring 100 tusind acres af kløver - et område større end New Orleans.

Kolliderende verdener af partikler

Forskerne lokaliserer deres ekstraordinært sjældne "firkløver"-atomer fra det enorme felt af almindelige atomer ved at sende deres prøver gennem en række isolationskamre. Disse kamre filtrerer først og kolliderer derefter de sjældne atomer med simpel oxygen, skabe et "mærket" molekyle med en unik molekylvægt, som derefter kan adskilles ved dets størrelse og ladning.

Effekten er som at finde en måde at binde en heliumballon til hvert mål thorium eller uran atom, så det flyder over havet af guld prøve og kan tælles. I dette tilfælde, den sofistikerede tæller er et massespektrometer. Forskningen er detaljeret i et nyligt nummer af Journal of Analytical Atomic Spectroscopy.

Den centrale innovation er kollisionscellekammeret, hvor ladede atomer af thorium og uran reagerer med oxygen, at øge deres molekylvægt og tillade dem at adskille sig fra andre overlappende signaler, der kan skjule deres tilstedeværelse.

"Jeg havde et aha-øjeblik, " sagde Greg Eiden, den oprindelige PNNL-opfinder af den patenterede kollisionscelle, som bruges til at udføre disse reaktioner, derved reduceres uønsket interferens i instrumentets udlæsning med en faktor på en million. "Det var denne mirakelkemi, der fjerner de dårlige ting, du ikke vil have i din prøve, så du kan se, hvad du vil se."

I den aktuelle undersøgelse, Harouaka og hendes mentor Isaac Arnquist udnyttede Eidens arbejde for at drille det forsvindende lille antal radioaktive atomer ud, som ikke desto mindre kan ødelægge følsomt elektronisk detektionsudstyr.

Blandt andre anvendelser, innovationen kan tillade kemikere, ledet af senior kemiker Eric Hoppe og hans team på PNNL, for yderligere at finpudse den kemi, der producerer verdens reneste elektroformede kobber. Kobberet udgør en nøglekomponent i følsomme fysikdetektorer, herunder dem, der anvendes til verifikation af internationale nukleare traktater.

Neutrino lyttetur

Stanford-fysikeren Giorgio Gratta hjælper med at lede en global søgen efter at fange beviser for universets grundlæggende byggesten. nEXO eksperimentet, nu i planlægningsfasen, skubber detektionsgrænserne for bevis for disse undvigende partikler, kaldet Majorana Fermions. De signaler, de søger, kommer fra yderst sjældne begivenheder. For at opdage en sådan hændelse, eksperimenterne kræver udsøgt følsomme detektorer, der er fri for strejfende strålingsping, der indføres gennem de materialer, der udgør detektoren. Det inkluderer metallerne i elektronikken, der kræves for at registrere de overordentlig sjældne hændelser, der udløser detektion.

"PNNL er en global leder inden for ultra-spor strålingsdetektion, " sagde Gratta. "Deres unikke blanding af innovation og anvendelse giver et vigtigt bidrag, der muliggør følsomme eksperimenter som nEXO."

Fysiker Steve Elliott fra Los Alamos National Laboratory understregede, hvor langt forskere skal gå for at sikre et omhyggeligt rent miljø til påvisning af sjældne partikler.

"I eksperimentelle programmer, hvor selv menneskelige fingeraftryk er for radioaktive og skal undgås, teknikker til at måle ultralave niveauer af radioaktive urenheder er kritiske, " han sagde, tilføjer, at denne metode kan være en vigtig måde at skaffe materialer til en anden af ​​den næste generation af sjældne neutrino-hændelsesdetektorer, kaldet LEGENDE, er planlagt til udbredelse i en underjordisk placering i Europa.

Rengøring af halvledere og kvantecomputere

Halvledere, de grundlæggende byggesten i moderne elektronik, inklusive integrerede kredsløb, mikrochips, transistorer, sensorer og kvantecomputere er også følsomme over for tilstedeværelsen af ​​omstrejfende stråling. Og innovationscyklussen kræver, at hver generationspakke mere og mere bliver til stadigt mindre mikrochips.

"I takt med at arkitekturen bliver mindre og mindre, strålingskontaminering er et stadig større problem, som producenter har arbejdet omkring ved at ændre arkitekturen inde i chipsene, sagde Hoppe. Men der er kun så langt, du kan komme med det, og du begynder virkelig at blive begrænset af renheden af ​​nogle af disse materialer. Industrien har sat sig mål, som den ikke kan nå lige nu, så at have en måleteknik som denne kunne gøre nogle af disse mål opnåelige."

Mere bredt, Eiden tilføjede, "i den store verden af ​​det periodiske system er der sandsynligvis applikationer for ethvert grundstof, du holder af. Og hvad Eric, Khadouja og Isaac går efter her og analyserer spor af urenheder i ultrarent materiale."