Tenzij radongas wordt ontdekt bij een huisinspectie, de meeste mensen zijn zich er gelukkig niet van bewust dat rotsen als graniet, metaalertsen, en sommige bodems bevatten natuurlijk voorkomende stralingsbronnen. In de meeste gevallen, lage stralingsniveaus zijn geen gezondheidsrisico. Maar sommige wetenschappers en ingenieurs maken zich zorgen over zelfs maar sporen van straling, die schade kunnen aanrichten aan gevoelige apparatuur. De halfgeleiderindustrie, bijvoorbeeld, jaarlijks miljarden uitgeeft om ultrasporenniveaus van radioactief materiaal van microchips te verkrijgen en te "schrobben", transistoren en gevoelige sensoren.

Nu hebben scheikundigen van het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie een eenvoudige en betrouwbare methode ontwikkeld die veelbelovend is voor het transformeren van de manier waarop ultrasporenelementen worden gescheiden en gedetecteerd. Lage niveaus van lastige natuurlijk voorkomende radioactieve elementen zoals uranium- en thoriumatomen zijn vaak verscholen tussen waardevolle metalen zoals goud en koper. Het is buitengewoon moeilijk geweest, onpraktisch, of zelfs onmogelijk, in sommige gevallen, om uit te zoeken hoeveel er wordt gevonden in monsters van erts die over de hele wereld worden gewonnen.

Toch is het essentieel voor bepaalde typen gevoelige instrumenten en detectoren om materialen met zeer lage niveaus van natuurlijke straling te gebruiken. zoals degenen die op zoek zijn naar bewijs van momenteel niet-gedetecteerde deeltjes waarvan veel natuurkundigen denken dat ze het grootste deel van het universum uitmaken.

"We verleggen echt de grenzen van detectie, " zei chemicus Khadouja Harouaka. "We willen zeer lage niveaus van thorium en uranium meten in componenten die in enkele van de meest gevoelige detectoren ter wereld gaan. Het is bijzonder moeilijk om lage niveaus van thorium en uranium te meten in edele metalen zoals het goud dat in de elektrische componenten van deze detectoren gaat. Met deze nieuwe techniek, we kunnen die uitdaging het hoofd bieden en detectielimieten bereiken van slechts 10 delen per biljoen goud."

Dat is hetzelfde als proberen een klavertje vier te vinden in ongeveer 100 duizend hectare klaver - een gebied groter dan New Orleans.

Botsende werelden van deeltjes

De wetenschappers lokaliseren hun buitengewoon zeldzame "klavertjevier" -atomen uit het enorme veld van gewone atomen door hun monsters door een reeks isolatiekamers te sturen. Deze kamers filteren eerst en botsen de zeldzame atomen met eenvoudige zuurstof, het creëren van een "gelabeld" molecuul met een uniek molecuulgewicht dat vervolgens kan worden gescheiden door zijn grootte en lading.

Het effect is als het vinden van een manier om een ​​heliumballon aan elk thorium- of uraniumatoom te binden, zodat het boven de zee van goudmonster drijft en kan worden geteld. In dit geval, de geavanceerde teller is een massaspectrometer. Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in een recent nummer van het Journal of Analytical Atomic Spectroscopie.

De centrale innovatie is de botsingscelkamer, waar geladen atomen van thorium en uranium reageren met zuurstof, door hun molecuulgewicht te verhogen en ze te laten scheiden van andere overlappende signalen die hun aanwezigheid kunnen verhullen.

"Ik had een aha-moment, " zei Greg Eiden, de oorspronkelijke PNNL-uitvinder van de gepatenteerde botsingscel, die wordt gebruikt om deze reacties uit te voeren, waardoor ongewenste interferentie in de uitlezing van het instrument met een factor een miljoen wordt verminderd. "Het was deze wonderchemie die de slechte dingen verwijdert die je niet in je monster wilt hebben, zodat je kunt zien wat je wilt zien."

In de huidige studie, Harouaka en haar mentor Isaac Arnquist maakten gebruik van het werk van Eiden om het verdwijnende kleine aantal radioactieve atomen op te sporen die toch gevoelige elektronische detectieapparatuur kunnen ruïneren.

Onder andere toepassingen, de innovatie kan scheikundigen mogelijk maken, onder leiding van senior chemicus Eric Hoppe en zijn team bij PNNL, om de chemie die 's werelds zuiverste elektrogevormde koper produceert, verder aan te scherpen. Het koper vormt een belangrijk onderdeel van gevoelige natuurkundige detectoren, inclusief die welke worden gebruikt voor de verificatie van internationale nucleaire verdragen.

Neutrino luistertour

Stanford-natuurkundige Giorgio Gratta helpt bij het leiden van een wereldwijde zoektocht om bewijs te verzamelen voor de fundamentele bouwstenen van het universum. Het nEXO-experiment, nu in de planningsfase, verlegt de detectiegrenzen voor bewijs van deze ongrijpbare deeltjes, genaamd Majorana Fermions. De signalen die ze zoeken komen van buitengewoon zeldzame gebeurtenissen. Om een ​​dergelijke gebeurtenis te detecteren, de experimenten vereisen buitengewoon gevoelige detectoren die vrij zijn van verdwaalde stralingspingen die worden geïntroduceerd door de materialen waaruit de detector bestaat. Dat omvat de metalen in de elektronica die nodig zijn om de buitengewoon zeldzame gebeurtenissen vast te leggen die detectie activeren.

"PNNL is een wereldleider in detectie van ultrasporenstraling, "Zei Gratta. "Hun unieke mix van innovatie en toepassing leveren een belangrijke bijdrage die gevoelige experimenten zoals nEXO mogelijk maakt."

Natuurkundige Steve Elliott van het Los Alamos National Laboratory benadrukte hoe ver onderzoekers moeten gaan om te zorgen voor een scrupuleus schone omgeving voor de detectie van zeldzame deeltjes.

"In experimentele programma's waar zelfs menselijke vingerafdrukken te radioactief zijn en vermeden moeten worden, technieken om ultralage radioactieve onzuiverheidsniveaus te meten zijn van cruciaal belang, " hij zei, eraan toevoegend dat deze methode een belangrijke manier zou kunnen zijn om materialen te vinden voor een andere van de volgende generatie zeldzame neutrino-gebeurtenisdetectoren, genaamd LEGENDE, wordt gepland voor inzet op een ondergrondse locatie in Europa.

Halfgeleiders en kwantumcomputers reinigen

Halfgeleiders, de basisbouwstenen van moderne elektronica, inclusief geïntegreerde schakelingen, microchips, transistoren, sensoren en kwantumcomputers zijn ook gevoelig voor de aanwezigheid van verdwaalde straling. En de innovatiecyclus vereist dat elke generatie meer en meer verpakt in steeds kleinere microchips.

"Naarmate de architectuur kleiner en kleiner wordt, stralingsbesmetting is een steeds groter probleem waar fabrikanten aan hebben gewerkt door de architectuur in de chips te veranderen, "zei Hoppe. "Maar daar kun je maar zo ver mee gaan, en je begint echt te worden beperkt door de zuiverheid van sommige van die materialen. De industrie heeft zichzelf doelen gesteld die ze op dit moment niet kan halen. dus het hebben van een meettechniek als deze zou sommige van die doelen haalbaar kunnen maken."

Breder, Eiden heeft toegevoegd, "In de grote wereld van het periodiek systeem zijn er waarschijnlijk toepassingen voor elk element waar je om geeft. En wat Eric, Khadouja en Isaac gaan hier achter alle sporen van onzuiverheden in ultrazuiver materiaal aan."