Los láseres ultrarrápidos forman una columna de plasma que se puede utilizar para determinar los materiales y su química. Crédito:Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
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Hay ocasiones en las que es complicado o imposible llevar una muestra a un laboratorio para probar su composición.
Esto es especialmente cierto cuando se trata de detectar explosiones que contienen material nuclear. La detección que se puede realizar rápidamente o en el sitio minimiza la exposición humana durante recolecciones peligrosas o análisis de laboratorio.
Sin embargo, la naturaleza de la química nuclear, en particular la oxidación, la forma en que el uranio interactúa con el oxígeno durante una explosión nuclear, es en gran parte desconocida, dejando vacíos en nuestra capacidad para identificar con precisión las actividades nucleares. Un equipo de investigadores dirigido por el físico de PNNL Sivanandan S. Harilal está trabajando para ampliar nuestra comprensión de la química del uranio utilizando una herramienta sorprendente:los láseres.
El método, detallado en un artículo reciente en el Journal of Analytical Atomic Spectrometry, muestra cómo la medición de la luz producida en los plasmas hechos con un láser se puede utilizar para comprender la oxidación del uranio en las bolas de fuego nucleares. Esta capacidad brinda información nunca antes vista sobre la oxidación en fase gaseosa del uranio durante explosiones nucleares. Estos conocimientos hacen avanzar el progreso hacia una método sin contacto para la detección remota de elementos e isótopos de uranio, con implicaciones para las salvaguardas de no proliferación, control de explosiones y verificación de tratados.
Plasmas de no proliferación
Un latido rápido como un rayo láser explota en un material sólido y excita los átomos para que se vaporicen en una pequeña, penacho de plasma de colores brillantes. La reacción cuando los átomos saltan a esta columna de plasma supercaliente emite luz que los investigadores pueden capturar y estudiar mediante espectroscopía óptica.
El efecto del oxígeno sobre los plasmas producidos por láser de uranio. Se observa un destello de luz más intenso asociado con el monóxido de uranio cuando hay más oxígeno presente. Sin embargo, con más oxígeno los plasmas no persisten tanto tiempo. Crédito:Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Los plasmas hechos de diferentes elementos a diferentes temperaturas emiten diferentes longitudes de onda de luz, cada uno de los cuales produce un color distinto. Por lo tanto, el color del plasma en la llama de una vela es diferente al plasma hecho en un letrero de neón, o el penacho de plasma microscópico que Harilal y su equipo generan para estudiar el uranio.
Los distintos colores de la luz emitida por un plasma son los mismos sin importar la cantidad de material que se convierta en plasma. El plasma producido por láser de uranio (LPP) de Harilal está hecho de una cantidad tan pequeña de material nuclear que el método puede considerarse no destructivo. Aún así, las mediciones de luz que los investigadores obtienen del LPP son similares a las reacciones en la bola de fuego producida durante una explosión nuclear.
"Es una cuestión de escala, "dice Harilal." Los láseres crean la misma química de bola de fuego que ocurre en una explosión nuclear, para que podamos estudiar la química y cómo reacciona a diferentes condiciones ambientales. Es pequeño, pero la luz es buena. Podemos recogerlo sin problemas ".
Viendo la luz en LPP
Aunque la luz de los plasmas es fácil de recolectar, la diferencia en las longitudes de onda de la luz que emiten moléculas específicas es más difícil de descifrar. Y el uranio es tan reactivo con el oxígeno en la bola de fuego de la explosión que crea muchas combinaciones diferentes de óxido de uranio. Estas combinaciones moleculares pueden ser desde un átomo de uranio emparejado con un solo átomo de oxígeno, a múltiples átomos de uranio unidos a hasta ocho átomos de oxígeno.
Varias especies de uranio complican inmediatamente la forma en que la espectroscopia descifra la colección de luz simple. Estas especies de uranio emiten luz en un espectro de color tan estrecho con diferencias tan pequeñas en las longitudes de onda que cada longitud de onda apenas comienza a coincidir con su respectiva transición de óxido de uranio.
Los investigadores se acercaron al estrecho espectro de longitudes de onda utilizando filtros de banda estrecha que el equipo había desarrollado previamente. Estos filtros de banda estrecha funcionan aislando la luz emitida en longitudes de onda específicas para que solo se recopilen y analicen las longitudes de onda asociadas a especies específicas.
La ubicación del uranio y el óxido de uranio durante las primeras 5 a 50 millonésimas de segundo del ciclo de vida de un plasma producido por láser. Los cuadros rectangulares grises representan la posición de destino. Crédito:Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico
Un filtro medía solo uranio atómico, y otro óxido de uranio medido en el plasma durante los pulsos de láser. Luego, el equipo midió la luz emitida por el plasma a medida que aumentaba el oxígeno en el medio ambiente, observando para ver cómo cambiaba la química en presencia de más oxígeno.
Utilizando instantáneas del plasma cronometradas con precisión (llamadas imágenes de compuerta rápida), Harilal y su equipo observaron directamente cómo el monóxido de uranio y los átomos de uranio se movían a través del LPP a lo largo del tiempo y por ubicación. Esto les permitió ver cómo y dónde se formaron las especies y cómo persistieron a medida que la columna de plasma se expandía y disipaba.
Longitudes de onda para la no proliferación
El equipo descubrió que los óxidos de uranio se forman más lejos del objetivo, donde las temperaturas más bajas favorecen la recombinación molecular. Los óxidos de uranio también se forman en épocas posteriores de la vida útil del plasma. Cuando hay más oxígeno presente, los plasmas no duran tanto.
Comprender la evolución de los átomos de uranio a monóxido de uranio a óxidos superiores es fundamental para el modelado predictivo de eventos de explosión. Preciso, Los modelos validados experimentalmente significan un seguimiento de la no proliferación nuclear más eficaz y una mejor comprensión general de la química del uranio.
Además de ayudar a los investigadores a comprender mejor la química del plasma de uranio, Las técnicas basadas en láser utilizadas en este trabajo también están en desarrollo para el campo, monitoreo remoto de no proliferación también. Dado que la ablación con láser junto con la espectroscopia de emisión óptica mide la luz emitida por un plasma, la recopilación de datos se puede realizar desde una caja fuerte, distancia de separación que no requiere manipulación de muestras. Esta técnica tiene implicaciones para la vigilancia forense nuclear y de salvaguardias.
