een nieuwe, compacte techniek voor het produceren van bundels van hoogenergetische fotonen (lichtdeeltjes) met nauwkeurig gecontroleerde energie en richting kan door dik staal en beton "zien" om gemakkelijker verborgen of gesmokkeld nucleair materiaal te detecteren en te identificeren, volgens een rapport onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy.

Deze fotonen zijn vergelijkbaar met röntgenstralen, maar hebben een nog hogere fotonenergie dan conventionele röntgenstralen, waardoor ze door dikke materialen kunnen dringen.

Technieken uit het verleden hebben brede spreidingen in energie en hoek gehad die hun effectiviteit beperkten. Nieuwe ontwikkelingen kunnen de mogelijkheden van zeer nauwkeurige, faciliteiten ter grootte van gebouwen tot mobiele platformen ter grootte van een kamer die een reeks prioritaire toepassingen op het gebied van nucleaire non-proliferatie en beveiliging mogelijk maken.

Deze precisie kan tegelijkertijd de resolutie verhogen en tegelijkertijd een lagere stralingsdosis produceren voor vele toepassingen in en buiten nucleaire veiligheid, zoals:

• Opsporen van smokkelwaar of explosieven.
• Verificatie van de inhoud van vaten waarin verbruikte splijtstof voor kernreactoren is opgeslagen.
• Toezicht houden op de naleving van het nucleaire verdrag.
• Een verborgen nucleair apparaat detecteren.
• Karakterisering van de gevaren na een nucleair ongeval.
• Industriële kwaliteitscontrole - en mogelijk medische röntgenfoto's.

"Dit rapport is gericht op welk type bron nodig is om de grootste impact te hebben in plaats van wat tot nu toe is ontwikkeld, " zei Jan Valentijn, Berkeley Lab's programmamanager voor National &Homeland Security. "Het legt de roadmap uit om applicaties te realiseren." Het rapport is opgesteld voor de National Nuclear Security Administration (NNSA), een DOE-agentschap dat verantwoordelijk is voor op nationale veiligheid gerichte toepassingen van nucleaire wetenschap.

"Een belangrijke toepassing voor dit soort technologie is de detectie van verborgen nucleair materiaal - bijvoorbeeld, verborgen in vrachtcontainers of een voertuig - maar het heeft een breed gebruik voor het opsporen van andere soorten smokkelwaar, " zei Cameron Geddes, een stafwetenschapper in het Berkeley Laboratory Laser Accelerator (BELLA) Center van het Lab. Geddes leidde de voorbereiding van het rapport met Bernhard Ludewigt, een stafwetenschapper in de Fusion Science en Ion Beam Technology Group van het Lab, onderdeel van de divisie Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP).

Geddes en Ludewigt werkten samen met een team van wetenschappers uit Pacific Northwest, Idaho, en Lawrence Livermore nationale laboratoria, evenals de Universiteit van Michigan, gedetailleerde simulaties uit te voeren die de verbeterde mogelijkheden aantoonden die de nieuwe technieken mogelijk zouden maken.

"Bestaande technologieën maken vaak gebruik van zogenaamde 'Bremsstrahlung'-bronnen om nucleair materiaal te detecteren en te identificeren, "zei Ludewigt. Dit soort stralingsbron is niet strak gericht en levert een waaiervormige spreiding over een breed energiebereik van straling. Die kenmerken kunnen de beeldvormingsmogelijkheden beperken en hogere stralingsdoses vereisen.

Bekend als een "mono-energetische fotonenbron, " de nieuwe technologie zou een strak gecollimeerde bundel hebben - wat betekent dat de fotonen bijna parallel aan elkaar zouden reizen in een smal pad. Die fotonen zouden ook een smal en nauwkeurig afstembaar energiebereik hebben. Deze eigenschappen zouden de stralingsoutput die nodig is tijdens scans vergeleken op andere technologieën die tegenwoordig worden gebruikt.Ze zouden ook het effect van ongewenste signalen verminderen, zoals ruis van verstrooide fotonen, die de detectie van nucleair materiaal kunnen verstoren.

Bij het scannen naar verborgen nucleair materiaal, Ludewigt zei, "Je wilt niet elke container met iets dichts moeten openen." De mogelijkheid om snel grote objecten te scannen, zoals vrachtcontainers, is ook de sleutel, terwijl miljoenen vrachtcontainers elk jaar de VS binnenstromen.

De straal van de scantechniek moet ook veilig zijn voor mensen die er onbedoeld mee in aanraking kunnen komen, Geddes toegevoegd. "Dat betekent dat we detectie moeten uitvoeren met een hoge specificiteit terwijl we de dosis laag houden, zodat als iemand zich in de vrachtcontainer verstopt, de scan hem geen pijn doet, " hij zei.

Simulaties laten zien, bijvoorbeeld, dat het scannen op twee afzonderlijke energiebereiken operators in staat zou stellen om het algemene type materiaal dat aanwezig is te identificeren. Als in deze eerste scan een object wordt ontdekt dat zo dik of dicht is dat een diepere scan nodig is om de inhoud te onderzoeken, door de energie af te stemmen op specifieke waarden, kan dezelfde fotonbron worden gebruikt om te bepalen of een item nucleair materiaal is.

Met zeer strakke controle over de bundelenergie, de nieuwe bron zou ook het exacte element kunnen identificeren - inclusief isotopen van elementen, die een ander atoomgewicht hebben en belangrijk kunnen zijn bij het meten van nucleaire veiligheidsdreigingen.

Het rapport merkt ook op dat de verminderde stralingsdosis van de bundel en de verhoogde specificiteit in materiaaldetectie een sterke impact kunnen hebben op andere gebieden die gebruik maken van hoogenergetische fotonen, inclusief medisch en industrieel gebruik. Een dergelijke bron zou bijvoorbeeld, niet-destructieve industriële analyse verbeteren - het vermogen om in machines te kijken zonder demontage.

Terwijl deeltjesversnellers ter grootte van een gebouw al lang nauwkeurige, mono-energetische fotonenstralen, nieuwe technologie zou deze systemen kunnen verkleinen, waardoor ze betaalbaarder en compacter zijn om breed gebruik mogelijk te maken.

"In plaats van de applicaties naar de machine te brengen, we hopen de machine naar de toepassingen te brengen, of dat betekent het scannen van vracht, het controleren van de naleving van het verdrag, of vele andere toepassingen, zei Wim Leemans, directeur van het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center en de ATAP-divisie van het Lab.

Berkeley Lab is een van de leiders in de wereldwijde inspanningen om nieuwe, compacte acceleratietechnologieën in het BELLA Center. BELLA gebruikt lasers om een ​​superhete toestand van materie te genereren die bekend staat als een plasma, en om bundels elektronen te genereren en ze snel te versnellen tot hoge energieën over een zeer korte afstand.

Experimenten hebben al aangetoond dat BELLA's op plasma gebaseerde versnellers de soorten elektronenbundels kunnen produceren die nodig zijn om een ​​gecontroleerde hoogenergetische fotonenbundel te realiseren die zou voldoen aan de vereisten die in het rapport worden beschreven.

Geddes leidt een apart BELLA Center-project om een ​​compacte mono-energetische bron te demonstreren. De stralen zouden worden gegenereerd door verstrooiing van een afzonderlijke laserstraal van de hoogenergetische elektronenstraal van een plasmaversneller om gepulseerde fotonenstralen te produceren met een smal bereik van energieën en gecontroleerde hoeken, een proces genaamd Thomson-verstrooiing. Het nieuwe rapport beschrijft hoe dergelijke bundels de identificatie- en beeldkwaliteit van nucleair materiaal kunnen verbeteren.

"We testen nieuwe technologieën die de enorme schaal en kosten van versnellers van de volgende generatie kunnen verminderen, waardoor we nieuwe gebieden van de natuurkunde kunnen verkennen, "Zei Leemans. Deze omvatten de volgende generatie hoogenergetische deeltjesversnellers, en vrije-elektronenlasers die 's werelds helderste röntgenstralen produceren. Al deze eisen hogere pulserende snelheden voor de lasers die de nieuwe bronnen aandrijven, en R&D is ook aan de gang in de richting van hartslagfrequenties die de in het rapport beschreven technieken mogelijk zouden maken.