Efficient production of Th via neutron capture in VUV-transparent crystals
تقترح هذه الورقة وتقيم طريقة لالتقاط النيوترونات باستخدام بلورات شفافة للأشعة فوق البنفسجًا الفراغية (VUV) مطعمة بـ Ra (مثل CaF وSrF وLiF) لإنتاج مصادر Th عالية النشاط بكفاءة وبنسب إشارة إلى ضجيج استثنائية، مما يوفر مسارًا واعدًا للتغلب على قيود الإمداد الحالية لأبحاث الساعة النووية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن الوقت، كما نقيسه، هو نبض التكنولوجيا الحديثة. فمن نظام تحديد المواقع (GPS) في سياراتنا إلى مزامنة الشبكات المالية العالمية، يعتمد عالمنا على ساعات تنبض بدقة مذهلة. ولعقود من الزمن، كانت الساعات الذرية هي أكثر أدوات قياس الوقت دقة، وهي تحافظ على الوقت من خلال عد اهتزازات الذرات. لكن العلماء اشتبهوا منذ فترة طويلة في أن القفزة التالية في الدقة لا تكمن في الذرة، بل في عمق النواة. فداخل نواة ذرة محددة تسمى الثوريوم-229، توجد حالة فريدة منخفضة الطاقة يمكن أن تكون أساساً لساعة نووية. مثل هذا الجهاز سيكون أكثر استقراراً بكثير من الساعات الذرية الحالية، ومحصناً ضد العديد من الاضطرابات البيئية التي تسبب أخطاء طفيفة في أدوات اليوم. ومع ذلك، فإن بناء هذه الساعة قد تعثر بسبب مشكلة بسيطة ومحبطة: لا يوجد ما يكفي من نوع الثوريوم المناسب للعمل به. فالمادة المطلوبة نادرة، ويصعب إنتاجها، وغالباً ما تكون مختلطة بعناصر مشعة أخرى تجعل دراستها صعبة.
لقد اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لحل مشكلة النقص هذه، وهي طريقة تحول مشكلة الندرة إلى خط إنتاج. فبدلاً من محاولة استخراج الثوريوم النادر من المخزونات الموجودة، يقترحون إنشاءه من الصفر داخل بلورة. وتتضمن طريقتهم أخذ عنصر مشع آخر أكثر شيوعاً يسمى الراديوم ووضعه داخل بلورة شفافة، مثل فلوريد الكالسيوم. ثم يقومون بقذف هذه البلورة بسيل من النيوترونات. وفي هذه البيئة المكثفة، تلتقط ذرات الراديوم النيوترونات وتتحول، لتتحلل في النهاية إلى ذرات الثوريوم المطلوبة للساعة. وقد استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية لرسم خريطة دقيقة لكيفية عمل هذه العملية، واختبروها باستخدام ثلاثة أنواع مختلفة من البلورات لمعرفة أي منها سيحقق أفضل النتائج.
كشفت عمليات المحاكاة أن هذا النهج فعال بشكل ملحوظ. ففي ظل الظروف التي صمموها، والتي تحاكي بيئة مفاعل نووي عالي التدفق، يمكن للعملية أن تولد عدداً هائلاً من ذرات الثوريوم المطلوبة في ثانية واحدة فقط. وتحديداً، توقعت النماذج الحاسوبية أنه في غضون ثانية واحدة فقط من الإشعاع، يمكن لبلورة واحدة أن تنتج حوالي تريليون ذرة من الحالة الأرضية للثوريوم وعدداً كبيراً من حالتها المثارة الخاصة (الإيزومر). وهذا "الإيزومر" هو المفتاح للساعة النووية، وهي حالة تستمر لفترة كافية ليتم قياسها ولكنها نادرة الوجود في الطبيعة. وقد أظهرت الدراسة أن هذه الطريقة يمكن أن تنتج هذه الذرات بمعدل يجعل التجارب واسعة النطاق ممكنة، متجاوزة الحاجة إلى الإمدادات المحدودة المتاحة حالياً.
ومع ذلك، فإن إنشاء الذرات ليس سوى نصف المعركة؛ إذ يجب على العلماء أيضاً أن يكونوا قادرين على رؤيتها. فالبلورة ليست فارغة؛ فهي مليئة بنواتج الاضمحلال الإشعاعي التي تنبعث منها الضوء والجسيمات، مما يخلق خلفية ضوضائية يمكن أن تخفي الإشارة الخافتة لـ "إيزومر" الثوريوم. لقد حسب الباحثون بعنا_ية هذه الضوضاء، المعروفة بإشعاع شيرينكوف، والتي تحدث عندما تتحرك الجسيمات المشحونة عبر البلورة بسرعة أكبر من سرعة الضوء في تلك المادة. ووجدوا أنه بينما تعد هذه الضوضاء الخلفية حقيقية وهامة، إلا أنها لا تطغى على الإشارة. ومن خلال اختيار اللحظة المناسبة للنظر — وتحديداً الانتظار لبضع آلاف من الثواني بعد توقف القصف النيوتروني — حدد الباحثون أن إشارة "إيزومر" الثوريوم تبرز بوضوح مقابل الضوضاء. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، كانت وضوح الإشارة عالياً جداً لدرجة أن الباحثين استطاعوا تمييز الذرات المطلوبة بمستوى ثقة يصل إلى جزء واحد من مائة ألف.
كما درست الدراسة أين تنتهي هذه الذرات الجديدة داخل البلورة. فعندما تصطدم النيوترونات بالبلورة من جانب واحد، فإنها لا تخترقها بعمق بشكل متساوٍ؛ بل يتم امتصاصها أثناء انتقالها إلى الداخل. وأظهرت عمليات المحاكاة أن تركيز ذرات الثوريوم الجديدة يكون في أعلى مستوياته بالقرب من السطح حيث تدخل النيوترونات، وينخفض كلما توغلت في العمق. وتقدم هذه النتيجة إرشادات عملية للتجارب المستقبلية: للحصول على أفضل النتائج، يجب على العلماء استخدام بلورات ليست سميكة جداً وتسليط ضوء القياس من نفس الجانب الذي تصطدم منه النيوترونات. وهذا يضمن أنهم ينظرون إلى المنطقة التي تم فيها إنشاء أكبر عدد من الذرات.
ومن بين البلورات الثلاث التي تم اختبارها، برز فلوريد الكالسيوم وفلوريد السترونشيوم كأكثر المرشحين واعداً، حيث أنتجا عدداً أكبر قليلاً من الذرات المطلوبة مقارنة بفلوريد الليثيوم. وخلص الباحثون إلى أن طريقة التقاط النيوترونات هذه توفر مساراً قابلاً للتوسع لإنتاج المواد اللازمة للساعات النووية. فهي توفر وسيلة لتوليد كل من الحالة الأرضية للثوريوم المطلوبة لتشغيل الساعة، والحالة المثارة اللازمة للاختبار، وكل ذلك داخل نفس البلورة الصلبة. ومن خلال تحويل مشكلة الندرة إلى حل تصنيعي، يزيل هذا العمل عائقاً رئيسياً أمام تطوير الجيل القادم من تكنولوجيا ضبط الوقت، مما يقرب حلم الساعة النووية من الواقع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.