En el generador de neutrones de alto flujo, Los investigadores de UC Berkeley calientan átomos de deuterio en una cámara de vacío a 50, 000 grados Celsius para obtener un plasma ionizado (resplandor rosa), luego acelere los iones hasta que choquen y se fusionen con otros átomos de deuterio implantados en el cátodo de titanio, liberando neutrones en el proceso. La bobina en espiral es la antena de radiofrecuencia refrigerada por agua que calienta el plasma, visto a través de una ventana de cuarzo en la cámara de vacío. Crédito:Cory Waltz, LLNL
En una bóveda subterránea encerrada por muros de hormigón de seis pies y al que se accede por un Puerta de hormigón y acero de 25 toneladas, Universidad de California, Berkeley, los estudiantes están haciendo bailar a los neutrones con una nueva melodía:una más adecuada para producir los isótopos necesarios para la datación geológica, forense policial, diagnóstico y tratamiento hospitalario.
La datación y la ciencia forense se basan en una pulverización de neutrones para convertir átomos en isótopos radiactivos. que delatan la composición química de una sustancia, ayudar a rastrear un arma o revelar la edad de una roca, por ejemplo. Los hospitales usan isótopos producidos por irradiación de neutrones para matar tumores o identificar enfermedades como el cáncer en el cuerpo.
Para estas aplicaciones, sin embargo, solo los reactores nucleares pueden producir una pulverización de neutrones lo suficientemente fuerte, y solo hay dos de esos reactores al oeste del Mississippi.
Como alternativa, Un equipo que incluye a estudiantes de UC Berkeley ha construido una fuente de neutrones de mesa que sería relativamente barata de reproducir y eventualmente portátil y también capaz de producir un rango más estrecho de energías de neutrones. minimizar la producción de subproductos radiactivos no deseados.
"Cualquier hospital del país podría tener esto, podrían construirlo por unos cientos de miles de dólares para hacerlo local, isótopos médicos de muy corta duración:puede subirlos por el ascensor hasta el paciente, "dijo Karl van Bibber, un profesor de ingeniería nuclear de UC Berkeley que supervisa a los estudiantes que perfeccionan el dispositivo. "Tiene aplicación en geocronología, análisis de activación de neutrones para las agencias de aplicación de la ley, cuando el FBI quiere determinar la procedencia de una muestra como evidencia, por ejemplo, radiografía de neutrones, para buscar grietas en partes de aviones. Esto es muy compacto, del tamaño de un pequeño horno de convección; Yo creo que es genial, estamos entusiasmados con esto ".
Investigadores de UC Berkeley han demostrado ahora que el generador de neutrones de alto flujo (HFNG) puede producir neutrones "boutique" (neutrones dentro de un rango muy estrecho de energías) que se pueden usar para fechar con precisión rocas de grano fino casi imposibles hasta ahora con otras técnicas de radioisótopos. . El estudio se publicará esta semana en la revista Avances de la ciencia .
"Esto ampliará la capacidad de fechar materiales de grano fino, como los minerales arcillosos asociados con los depósitos de mineral, incluido el oro, o coladas de lava, "dijo Paul Renne, profesor residente de UC Berkeley en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias y director del Centro de Geocronología de Berkeley. "Este dispositivo también podría permitirnos observar los objetos más primitivos de nuestro sistema solar, inclusiones ricas en calcio / aluminio que se encuentran en ciertos tipos de meteoritos, que también son de grano muy fino".
Como informan en el nuevo documento, Los investigadores utilizaron el generador de neutrones para determinar la edad de la lava de grano fino de la erupción del Vesubio en el 79 d.C. que enterró la ciudad romana de Pompeya. La fecha que calcularon fue tan precisa como la respuesta dada por un estudio exhaustivo en 1997 utilizando la datación argón-argón de última generación de muestras irradiadas en un reactor nuclear.
"Está haciendo posible hacer cosas que de otra manera no serían posibles, "Dijo Renne.
Este corte del generador de neutrones de alto flujo muestra las dos cámaras (bronce) donde el deuterio se calienta a 50ºC, 000 grados Celsius, creando un plasma de deuterio ionizado. Un 100, La carga de 000 voltios en la placa de extracción acelera los iones hacia el objetivo, que contiene más átomos de deuterio. Cuando dos átomos de deuterio se fusionan, producen un neutrón, que irradia una muestra colocada cerca. La cubierta evita el calentamiento excesivo de los electrones en contracorriente. Crédito:Karl van Bibber, UC Berkeley
El largo camino hacia la fusión de escritorios
Renne ha estado buscando mejores formas de irradiar muestras de rocas durante décadas y escuchó sobre un posible método del fallecido profesor de ingeniería nuclear de UC Berkeley, Stanley Prussin, que murió en 2015. La técnica consiste en la fusión de dos átomos de deuterio, que son isótopos de hidrógeno, para producir helio-3 y un neutrón. Estos neutrones tienen una energía (alrededor de 2,5 millones de electronvoltios) que es ideal para irradiar rocas para realizar la datación argón-argón. uno de los métodos más precisos que se utilizan en la actualidad.
La datación argón-argón se basa en el hecho de que aproximadamente uno de cada 1, 000 átomos de potasio en la roca es el isótopo radiactivo potasio-40, que se descompone en argón-40 con una vida media de más de mil millones de años. Usando neutrones, los científicos convierten parte del potasio estable, potasio-39, a argón-39, luego mida la razón de Ar-40 a Ar-39 en la muestra para calcular su edad.
Las muestras de roca ahora deben irradiarse en reactores nucleares, pero los reactores producen neutrones muy energéticos que pueden expulsar átomos de argón de la muestra —un problema particular para las rocas con granos microscópicos— y también producir elementos radiactivos no deseados. Ambos efectos dificultan el cálculo de la edad.
El HFNG evita estos dos problemas, debido a que los neutrones son una décima parte de la energía de los de un reactor nuclear y tienen un rango de energías más estrecho, sin dejar de mantener un alto flujo de neutrones.
"Eliminando el problema del retroceso, más reducción de reacciones interferentes, es enorme, ", Dijo Renne." Pero los aspectos radiológicos también se mejoran ".
"La belleza de esta cosa, nos dimos cuenta, es que no tienes esta cosa arrojando neutrones por todas partes y creando un problema radiológico, "añadió van Bibber, quien es la Cátedra Shankar Sastry de Liderazgo e Innovación. "En realidad, tienes una cantidad modesta de neutrones, pero al acercar el objetivo a la fuente puntual, lo que importa, el flujo de neutrones en la muestra es muy alto ".
El primer dispositivo para crear neutrones a través de la fusión deuterio-deuterio (D-D) fue diseñado hace 10 años por el equipo de Renne, que incluía al físico de plasma Ka-Ngo Leung, anteriormente del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Pero su prototipo languideció hasta que van Bibber se interesó en 2012, poco después de su nombramiento como presidente del Departamento de Ingeniería Nuclear de UC Berkeley. Para albergar el generador de fusión, van Bibber se hizo cargo de una bóveda de hormigón utilizada anteriormente para experimentos realizados con el reactor nuclear del campus, que solía sentarse debajo de lo que ahora es Soda Hall, aunque se encuentra en una gran sala subterránea que es parte del sótano de Etcheverry Hall, hasta que el reactor cerró en 1987 y fue retirado.
El generador emplea alrededor de 100, 000 voltios para acelerar los átomos de deuterio ionizados hacia un cátodo metálico hecho de titanio. El deuterio se acumula en el cátodo en una capa delgada que luego sirve como objetivo para otros iones entrantes. Cuando chocan los deuterones se fusionan, se produce un neutrón en un haz ancho que irradia la muestra ubicada aproximadamente a un tercio de pulgada de distancia.
Los estudiantes de posgrado Mauricio Ayllon Unzueta (izquierda) y Jonathan Morrell ajustan el generador de neutrones de alto flujo en una bóveda subterránea en UC Berkeley. La cámara de vacío de aluminio contiene el plasma de deuterio y el objetivo del cátodo donde los neutrones se generan por fusión. Crédito:UC Berkeley foto por Irene Yi
A través de los años, van Bibber reclutó a muchos estudiantes universitarios, estudiantes graduados y becarios postdoctorales para ayudar a hacer realidad el generador de neutrones. Uno de ellos, estudiante transferido Max Wallace, un estudiante de último año en ascenso interesado en la ciencia forense nuclear, estaba asombrado por el acceso que tenía a una máquina así.
"Es raro poder trabajar con radioisótopos como estudiante, ", dijo el ex ingeniero de software." Aprendí a hacer muchas cosas a altas horas de la noche, usar guantes y gafas para medir la radiación, tomando muestras, realizar comprobaciones de seguridad y ejecutar el software. En realidad, Aprendería algo en mi clase de física nuclear y luego vendría aquí para trabajar en una aplicación directa de eso ".
Para Mauricio Ayllon Unzueta, un estudiante de posgrado de cuarto año en ingeniería nuclear, la experiencia que obtuvo ayudando a perfeccionar el generador de neutrones condujo directamente a un nuevo proyecto en Berkeley Lab:diseñar una variante del HFNG que podría llevarse al campo para realizar la activación de neutrones de los suelos para medir el contenido de carbono, una pieza clave de información si la sociedad espera secuestrar carbono en los suelos para mitigar el cambio climático.
"A través de tres generaciones de estudiantes graduados, lo convertimos de algo que apenas funcionaba en un generador de neutrones de alto rendimiento, ", dijo van Bibber.
Daniel Rutte, un investigador postdoctoral de UC Berkeley en geología que trabaja con Renne y el gerente de laboratorio de BGC, Tim Becker, desempeñó un papel fundamental en el diseño y la realización del primer experimento de citas, según Renne.
"Daniel fue literalmente el actor clave al demostrar que esto funcionaría para la geocronología Ar-Ar, " él dijo.
El objetivo de Rutte es desarrollar nuevos métodos e instrumentos para comprender mejor los procesos de la Tierra, en particular la deformación de la corteza terrestre, que ocurre por fluencia lenta o ruptura rápida que resulta en terremotos.
"Para comprender la deformación de la corteza a largo plazo, Fecho viejas rupturas conservadas en el registro rocoso, ", Dijo Rutte." El generador de neutrones ayudará al progreso en este campo al expandir la gama de materiales que podemos fechar ".
Con la ayuda continua de los estudiantes, van Bibber y Renne esperan poder hacer que el generador de neutrones sea más compacto y producir una pulverización de neutrones más intensa, haciéndolo más ampliamente útil para la geocronología, así como para otros usos especializados. Los investigadores del Laboratorio de Ciencias Espaciales de la UC Berkeley ya han mostrado interés en usar estos neutrones para probar hardware electrónico para determinar cómo sobrevivirá en el entorno radiactivo del espacio. Los neutrones de mayor energía podrían usarse para la radiografía de neutrones, que puede complementar la radiografía de rayos X en la obtención de imágenes del interior de objetos densos, como los metales.
"El propósito desde el principio había sido poner a prueba el sueño de Paul de si podíamos usar un dispositivo muy compacto, dispositivo de bajo voltaje para hacer irradiación de neutrones, ", dijo van Bibber." Ahora hemos demostrado que cualquier universidad puede tener una fuente de neutrones para realizar la técnica de datación argón-argón ".
