Un nuevo técnica compacta para producir haces de fotones de alta energía (partículas de luz) con energía y dirección controladas con precisión que podría "ver" a través de acero grueso y hormigón para detectar e identificar más fácilmente materiales nucleares ocultos o de contrabando, según un informe dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab).

Estos fotones son similares a los rayos X pero tienen una energía de fotones aún mayor que los rayos X convencionales. lo que les permite penetrar materiales gruesos.

Las técnicas pasadas han tenido grandes extensiones de energía y ángulo que limitaron su efectividad. Los nuevos desarrollos podrían traer las capacidades de alta precisión, desde instalaciones del tamaño de un edificio hasta plataformas móviles o del tamaño de una habitación que permiten una variedad de usos de seguridad y no proliferación nuclear de alta prioridad.

Esta precisión puede aumentar simultáneamente la resolución y producir una dosis de radiación más baja para muchos usos dentro y fuera de la seguridad nuclear. tal como:

• Detección de contrabando o explosivos.
• Verificación del contenido de los toneles que almacenan el combustible gastado de los reactores nucleares.
• Supervisión del cumplimiento de los tratados nucleares.
• Detectando un dispositivo nuclear oculto.
• Caracterización de peligros tras un accidente nuclear.
• Control de calidad industrial y radiografías potencialmente médicas.

"Este informe se centra en qué tipo de fuente se necesita para tener el mayor impacto en lugar de lo que se ha desarrollado hasta la fecha, "dijo John Valentine, Gerente de programas de Berkeley Lab para Seguridad Nacional y Nacional. "Establece la hoja de ruta para la realización de aplicaciones". El informe fue preparado para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA), una agencia del DOE responsable de las aplicaciones de la ciencia nuclear centradas en la seguridad nacional.

"Una aplicación importante de este tipo de tecnología es la detección de material nuclear oculto, por ejemplo, oculto en contenedores de carga o un vehículo, pero tiene un amplio uso para detectar otros tipos de contrabando, "dijo Cameron Geddes, un científico del personal en el Centro Acelerador Láser del Laboratorio de Berkeley (BELLA) del Laboratorio. Geddes dirigió la preparación del informe con Bernhard Ludewigt, un científico del personal en el Grupo de Ciencia de Fusión y Tecnología de Rayos de Iones del Laboratorio, parte de la División de Tecnología Aceleradora y Física Aplicada (ATAP).

Geddes y Ludewigt trabajaron con un equipo de científicos del noroeste del Pacífico, Idaho, y los laboratorios nacionales Lawrence Livermore, así como la Universidad de Michigan, para realizar simulaciones detalladas que mostraran las capacidades mejoradas que las nuevas técnicas harían posible.

"Las tecnologías existentes suelen utilizar las llamadas fuentes 'Bremsstrahlung' para detectar e identificar materiales nucleares, ", dijo Ludewigt. Este tipo de fuente de radiación no está bien dirigida y emite una dispersión en forma de abanico sobre un amplio rango de energía de radiación. Esas características pueden limitar la capacidad de obtención de imágenes y requerir dosis más altas de radiación.

Conocida como "fuente de fotones monoenergéticos, "La nueva tecnología tendría un haz muy colimado, lo que significa que sus fotones viajarían casi paralelos entre sí en un camino estrecho. Esos fotones también tendrían un rango de energía estrecho y sintonizable con precisión. Estas propiedades reducirían la salida de radiación necesaria durante los escaneos en comparación a otras tecnologías que se utilizan en la actualidad. También reducirían el efecto de las señales no deseadas, como el ruido de los fotones dispersos, que pueden interferir con la detección de materiales nucleares.

Al buscar materiales nucleares ocultos, Ludewigt dijo:"No querrás tener que abrir todos los contenedores que tengan algo denso". La capacidad de escanear rápidamente objetos grandes, como contenedores de carga, también es clave, a medida que millones de contenedores de carga llegan a los EE. UU. cada año.

El rayo de la técnica de escaneo también debe ser seguro para los humanos que pueden entrar en contacto inadvertidamente con él. Añadió Geddes. "Eso significa que debemos realizar la detección con una alta especificidad mientras mantenemos la dosis baja, para que si alguien se esconde en el contenedor de carga, el escaneo no lo lastime, " él dijo.

Las simulaciones muestran, por ejemplo, que el escaneo en dos rangos de energía separados permitiría a los operadores identificar el tipo general de materiales que están presentes. Si se descubre un objeto en este escaneo inicial que es tan grueso o denso que requiere un escaneo más profundo para explorar su contenido, luego, ajustando la energía a valores específicos, la misma fuente de fotones podría usarse para identificar si un elemento es material nuclear.

Con un control muy estricto sobre la energía del haz, la nueva fuente también podría identificar el elemento exacto, incluidos los isótopos de elementos, que tienen un peso atómico diferente y pueden ser importantes para medir las amenazas a la seguridad nuclear.

El informe también señala que la dosis de radiación reducida del haz y la mayor especificidad en la detección de materiales podrían tener un fuerte impacto en otros campos que utilizan fotones de alta energía. incluidos los usos médicos e industriales. Tal fuente por ejemplo, mejorar el análisis industrial no destructivo:la capacidad de mirar dentro de la maquinaria sin necesidad de desmontarla.

Si bien los aceleradores de partículas del tamaño de un edificio han sido capaces de hacer precisos, haces de fotones monoenergéticos, la nueva tecnología podría encoger estos sistemas, haciéndolos más asequibles y compactos para permitir un uso amplio.

"En lugar de llevar las aplicaciones a la máquina, esperamos llevar la máquina a las aplicaciones, si eso significa escanear la carga, verificar el cumplimiento de los tratados, o muchos otros usos, "dijo Wim Leemans, director del Centro Acelerador Láser Berkeley Lab (BELLA) y la División ATAP del Laboratorio.

Berkeley Lab se encuentra entre los líderes en el esfuerzo mundial para desarrollar nuevos tecnologías de aceleración compactas en su Centro BELLA. BELLA utiliza láseres para generar un estado supercaliente de materia conocido como plasma, y generar racimos de electrones y acelerarlos rápidamente a altas energías en una distancia muy corta.

Los experimentos ya han demostrado que los aceleradores a base de plasma de BELLA pueden producir los tipos de haces de electrones necesarios para realizar un haz de fotones controlado de alta energía que cumpla con los requisitos descritos en el informe.

Geddes está liderando un proyecto independiente del Centro BELLA para demostrar una fuente monoenergética compacta. Los rayos se generarían mediante la dispersión de un rayo láser separado del rayo de electrones de alta energía de un acelerador de plasma para producir rayos de fotones pulsados ​​con un rango estrecho de energías y ángulos controlados. un proceso llamado dispersión de Thomson. El nuevo informe detalla cómo estos haces podrían mejorar la identificación y la calidad de las imágenes de los materiales nucleares.

"Estamos probando nuevas tecnologías que pueden reducir las escalas masivas y los costos de los aceleradores de próxima generación, permitiéndonos explorar nuevos reinos de la física, ", Dijo Leemans. Estos incluyen colisionadores de partículas de alta energía de próxima generación, y láseres de electrones libres que producen los rayos X más brillantes del mundo. Todos estos exigen tasas de pulsación más rápidas para los láseres que impulsan las nuevas fuentes, y también se está realizando I + D hacia las frecuencias del pulso que permitirían las técnicas descritas en el informe.