In een ondergronds gewelf omsloten door twee meter hoge betonnen muren en toegankelijk via een rollend, Beton-en-stalen deur van 25 ton, Universiteit van Californië, Berkeley, studenten laten neutronen dansen op een nieuw deuntje:een die beter geschikt is voor het produceren van isotopen die nodig zijn voor geologische datering, politie forensisch onderzoek, diagnose en behandeling in het ziekenhuis.

Dating en forensisch onderzoek vertrouwen op een spray van neutronen om atomen om te zetten in radioactieve isotopen, die de chemische samenstelling van een stof verraden, helpen bij het opsporen van een wapen of het onthullen van de leeftijd van een rots, bijvoorbeeld. Ziekenhuizen gebruiken isotopen die worden geproduceerd door bestraling met neutronen om tumoren te doden of ziekten zoals kanker in het lichaam op te sporen.

Voor deze toepassingen is echter, alleen kernreactoren kunnen een voldoende sterke nevel van neutronen produceren, en er zijn slechts twee van dergelijke reactoren ten westen van de Mississippi.

Als een alternatief, een team met UC Berkeley-studenten heeft een tafelneutronenbron gebouwd die relatief goedkoop te reproduceren en uiteindelijk draagbaar zou zijn en ook in staat zou zijn om een ​​smaller bereik van neutronenenergieën te produceren, het minimaliseren van de productie van ongewenste radioactieve bijproducten.

"Elk ziekenhuis in het land zou dit ding kunnen hebben, ze zouden het kunnen bouwen voor een paar honderdduizend dollar om lokale, zeer kortlevende medische isotopen - je zou ze gewoon de lift naar de patiënt kunnen rennen, zei Karl van Bibber, een UC Berkeley-professor nucleaire technologie die toezicht houdt op de studenten die het apparaat perfectioneren. "Het heeft toepassing in de geochronologie, neutronenactiveringsanalyse voor wetshandhavingsinstanties - wanneer de FBI de herkomst van een monster als bewijs wil bepalen, bijvoorbeeld - neutronenradiografie, om te zoeken naar scheuren in vliegtuigonderdelen. Dit is zeer compact, de grootte van een kleine heteluchtoven; Ik vind het geweldig, we zijn er enthousiast over."

Onderzoekers van UC Berkeley hebben nu aangetoond dat de hoge flux neutronengenerator (HFNG) "boutique" neutronen kan produceren - neutronen binnen een zeer smal bereik van energieën - die kunnen worden gebruikt om fijnkorrelige gesteenten nauwkeurig te dateren die tot nu toe bijna onmogelijk zijn met andere radio-isotooptechnieken . Het onderzoek wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Dit zal de mogelijkheid vergroten om fijnkorrelige materialen te dateren, zoals kleimineralen geassocieerd met ertsafzettingen, inclusief goud, of lavastromen, " zei Paul Renne, een UC Berkeley professor-in-residence bij de afdeling Aard- en Planetaire Wetenschappen en directeur van het Berkeley Geochronology Center. "Dit apparaat laat ons misschien ook kijken naar de meest primitieve objecten in ons zonnestelsel - calcium / aluminiumrijke insluitsels die worden gevonden in bepaalde soorten meteorieten - die ook zeer fijnkorrelig zijn."

Zoals ze in de nieuwe krant melden, de onderzoekers gebruikten de neutronengenerator om de leeftijd van fijnkorrelige lava van de uitbarsting van de Vesuvius in 79 na Christus te bepalen, die de Romeinse stad Pompeii begroef. De datum die ze berekenden was net zo nauwkeurig als het antwoord dat werd gegeven door een uitgebreide studie in 1997 met behulp van ultramoderne argon-argon-datering van monsters die werden bestraald in een kernreactor.

"Het maakt het mogelijk om dingen te doen die anders niet mogelijk waren, ' zei Rene.

De lange weg naar desktopfusie

Renne is al tientallen jaren op zoek naar betere manieren om gesteentemonsters te bestralen en hoorde over een mogelijke methode van wijlen UC Berkeley, professor in nucleaire techniek, Stanley Prussin, die in 2015 stierf. De techniek omvat de fusie van twee deuteriumatomen, die isotopen van waterstof zijn, om helium-3 en één neutron te produceren. Deze neutronen hebben een energie - ongeveer 2,5 miljoen elektronvolt - die ideaal is voor het bestralen van rotsen om argon-argondatering uit te voeren, een van de meest nauwkeurige methoden die tegenwoordig worden gebruikt.

Argon-argondatering is gebaseerd op het feit dat ongeveer één op de 1, 000 kaliumatomen in gesteente is de radioactieve isotoop kalium-40, die vervalt tot argon-40 met een halfwaardetijd van meer dan een miljard jaar. Met behulp van neutronen, wetenschappers zetten een deel van het stabiele kalium om, kalium-39, naar argon-39, meet vervolgens de verhouding van Ar-40 tot Ar-39 in het monster om de leeftijd te berekenen.

Gesteentemonsters moeten nu worden bestraald in kernreactoren, maar reactoren produceren zeer energetische neutronen die argonatomen uit het monster kunnen slaan - een bijzonder probleem voor gesteenten met microscopisch kleine korrels - en produceren ook ongewenste radioactieve elementen. Beide effecten maken de leeftijdsberekening moeilijker.

De HFNG vermijdt beide problemen, omdat de neutronen een tiende van de energie van die van een kernreactor zijn en een smaller bereik van energieën hebben, terwijl nog steeds een hoge flux van neutronen behouden blijft.

"Het elimineren van het terugslagprobleem, plus vermindering van storende reacties, is groot, "Zei Renne. "Maar ook de radiologische aspecten zijn verbeterd."

"De schoonheid van dit ding, wij realiseerden ons, is dat je niet hebt dat dit ding overal neutronen spuwt en een radiologisch probleem creëert, "voegde van Bibber toe, wie is de Shankar Sastry-leerstoel voor leiderschap en innovatie. "Je hebt eigenlijk een bescheiden aantal neutronen, maar door het doelwit dicht bij de puntbron te krijgen - het ding dat ertoe doet - is de neutronenflux bij het monster erg hoog."

Het eerste apparaat om neutronen te creëren via deuterium-deuterium (D-D) fusie werd 10 jaar geleden ontworpen door Renne's team, waaronder plasmafysicus Ka-Ngo Leung, voorheen van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Maar hun prototype kwijnde weg totdat Van Bibber in 2012 interesse kreeg. kort na zijn benoeming tot voorzitter van de afdeling Nuclear Engineering van UC Berkeley. Om de fusiegenerator te huisvesten, van Bibber nam een ​​betonnen kluis over die vroeger werd gebruikt voor experimenten met de kernreactor van de campus, die vroeger zat onder wat nu Soda Hall is - hoewel het zich in een grote ondergrondse kamer bevindt die deel uitmaakt van de kelder van Etcheverry Hall - totdat de reactor in 1987 werd gesloten en werd verwijderd.

De generator biedt werk aan ongeveer 100, 000 volt om geïoniseerde deuteriumatomen te versnellen naar een metalen kathode gemaakt van titanium. Het deuterium hoopt zich op de kathode op in een dunne laag die vervolgens dient als doelwit voor andere binnenkomende ionen. Wanneer botsende deuteronen fuseren, een neutron wordt geproduceerd in een brede bundel die het monster bestraalt dat zich op ongeveer 2,5 cm afstand bevindt.

Door de jaren heen, van Bibber nam veel studenten in dienst, afgestudeerde studenten en postdoctorale fellows om de neutronengenerator te helpen realiseren. Een van hen, overstapstudent Max Wallace, een opkomende senior geïnteresseerd in nucleair forensisch onderzoek, was verbaasd over de toegang die hij tot zo'n machine had.

"Het is zeldzaam om als student met radio-isotopen te kunnen werken, " zei de voormalige software-engineer. "Ik heb 's avonds laat zoveel geleerd, het dragen van handschoenen en een veiligheidsbril om de straling te meten, monsters nemen, veiligheidscontroles uitvoeren en de software draaien. Werkelijk, Ik zou iets leren in mijn klas kernfysica en dan hierheen komen om te werken aan een directe toepassing ervan."

Voor Mauricio Ayllon Unzueta, een vierdejaars student nucleaire techniek, de ervaring die hij opdeed bij het helpen perfectioneren van de neutronengenerator leidde direct tot een nieuw project bij Berkeley Lab:het ontwerpen van een variant van de HFNG die in het veld kan worden gebruikt om neutronenactivering van bodems uit te voeren om het koolstofgehalte te meten - een belangrijk stuk informatie als de samenleving hoopt koolstof in de bodem vast te leggen om de klimaatverandering tegen te gaan.

"Door drie generaties afgestudeerde studenten, we veranderden het van iets dat nauwelijks werkte in een krachtige neutronengenerator, ', aldus van Bibber.

Daniël Rutte, een UC Berkeley postdoctoraal onderzoeker in de geologie in samenwerking met Renne en BGC labmanager Tim Becker, speelde een cruciale rol bij het ontwerpen en uitvoeren van het eerste dateringsexperiment, volgens Rene.

"Daniel was letterlijk de hoofdrolspeler in het aantonen dat dit zou werken voor Ar-Ar-geochronologie, " hij zei.

Het doel van Rutte is om nieuwe methoden en instrumenten te ontwikkelen om aardse processen beter te begrijpen, in het bijzonder de vervorming van de aardkorst, die optreedt door langzame kruip of snelle breuk resulterend in aardbevingen.

"Om de vervorming van de korst op de lange termijn te begrijpen, Ik date oude breuken bewaard in de rotsplaat, "Zei Rutte. "De neutronengenerator zal de vooruitgang op dit gebied helpen door het scala aan materialen dat we kunnen dateren uit te breiden."

Met permanente hulp van studenten, van Bibber en Renne verwachten de neutronengenerator compacter te kunnen maken en een intensere nevel van neutronen te kunnen produceren, waardoor het breder bruikbaar is voor geochronologie, evenals voor andere gespecialiseerde toepassingen. Onderzoekers van het Space Sciences Laboratory van UC Berkeley hebben al interesse getoond in het gebruik van deze neutronen om elektronische hardware te testen om te bepalen hoe het zal overleven in de radioactieve omgeving van de ruimte. Neutronen met hogere energie kunnen worden gebruikt voor neutronenradiografie, die röntgenradiografie kan aanvullen bij het afbeelden van het binnenste van dichte objecten, zoals metalen.

"Het doel was altijd geweest om Pauls droom te testen of we een zeer compacte, laagspanningsapparaat om neutronenbestraling te doen, " zei Van Bibber. "We hebben nu aangetoond dat elke universiteit een neutronenbron kan hebben om de argon-argon-dateringstechniek uit te voeren."