Efficient production of Th via neutron capture in VUV-transparent crystals
Cet article propose et évalue une méthode de capture neutronique utilisant des cristaux transparents dans l'UV lointain (CaF, SrF et LiF) dopés au Ra pour produire efficacement des sources de Th à haute activité avec des rapports signal sur bruit exceptionnels, offrant ainsi une voie prometteuse pour surmonter les limites actuelles d'approvisionnement pour la recherche sur les horloges nucléaires.
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Le temps, tel que nous le mesurons, est le cœur battant de la technologie moderne. Du GPS dans nos voitures à la synchronisation des réseaux financiers mondiaux, notre monde repose sur des horloges qui battent avec une précision incroyable. Depuis des décennies, les gardiens du temps les plus précis sont les horloges atomiques, qui mesurent le temps en comptant les vibrations des atomes. Mais les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que le prochain bond de précision ne réside pas dans l'atome, mais plus profondément à l'intérieur du noyau. Au sein du noyau d'un atome spécifique appelé thorium-229, il existe un état d'énergie unique et de faible intensité qui pourrait servir de base à une horloge nucléaire. Un tel dispositif serait bien plus stable que les horloges atomiques actuelles, immunisé contre de nombreuses perturbations environnementales qui causent de minuscules erreurs dans les instruments d'aujourd'hui. Cependant, la construction de cette horloge a été entravée par un problème simple et frustrant : il n'y a pas assez du bon type de thorium pour travailler. Le matériau nécessaire est rare, difficile à produire et souvent mélangé à d'autres éléments radioactifs qui le rendent difficile à étudier.
Une équipe de chercheurs a maintenant proposé une nouvelle façon de résoudre cette pénurie, une méthode qui transforme le problème de la rareté en une ligne de production. Au lieu d'essayer d'extraire le thorium rare des stocks existants, ils suggèrent de le créer à partir de rien à l'intérieur d'un cristal. Leur méthode consiste à prendre un autre élément radioactif, plus commun, appelé radium, et à le placer à l'intérieur d'un cristal transparent, tel que le fluorure de calcium. Ils bombardent ensuite ce cristal avec un flux de neutrons. Dans cet environnement intense, les atomes de radium capturent les neutrons et se transforment, finissant par se désintégrer en ces mêmes atomes de thorium nécessaires à l'horloge. Les chercheurs ont utilisé de puissantes simulations informatiques pour cartographier exactement comment ce processus fonctionnerait, testant la méthode avec trois types différents de cristaux pour voir lequel donnerait les meilleurs résultats.
Les simulations ont révélé que cette approche est remarquablement efficace. Selon les conditions modélisées, qui imitent l'environnement d'un réacteur nucléaire à haut flux, le processus peut générer un nombre massif d'atomes de thorium désirés en une seule seconde. Plus précisément, les modèles informatiques ont prédit qu'en seulement une seconde d'irradiation, un seul cristal pourrait produire environ un billion d'atomes de thorium à l'état fondamental et un nombre significatif de son état isomère excité spécial. Cet isomère est la clé de l'horloge nucléaire, un état qui dure assez longtemps pour être mesuré, mais qui est rare à trouver dans la nature. L'étude a montré que cette méthode pouvait produire ces atomes à un rythme qui rend les expériences à grande échelle réalisables, contournant ainsi le besoin des stocks limités actuellement disponibles.
Cependant, créer les atomes n'est que la moitié de la bataille ; les scientifiques doivent également être capables de les voir. Le cristal n'est pas vide ; il est rempli de produits de désintégration radioactive qui émettent de la lumière et des particules, créant un bruit de fond qui pourrait masquer le faible signal de l'isomère de thorium. Les chercheurs ont soigneusement calculé ce bruit de fond, connu sous le nom de rayonnement de Tcherenkov, qui se produit lorsque des particules chargées se déplacent à travers le cristal plus vite que la lumière ne voyage dans celui-ci. Ils ont constaté que, bien que ce bruit de fond soit réel et significatif, il n'écrase pas le signal. En choisissant le bon moment pour observer — spécifiquement, en attendant quelques milliers de secondes après l'arrêt du bombardement neutronique — les chercheurs ont déterminé que le signal de l'isomère de thorium se détache clairement du bruit. Dans leurs simulations, la clarté du signal était telle que les chercheurs pouvaient distinguer les atomes désirés avec un niveau de confiance de une partie pour cent mille.
L'étude a également examiné où ces nouveaux atomes se retrouvent à l'intérieur du cristal. Lorsque les neutrons frappent le cristal d'un côté, ils ne pénètrent pas uniformément jusqu'au bout ; ils sont absorbés au fur et à mesure qu'ils progressent en profondeur. Les simulations ont montré que la concentration de ces nouveaux atomes de thorium est la plus élevée près de la surface par laquelle les neutrons entrent et chute à mesure que l'on s'enfonce en profondeur. Cette découverte offre des conseils pratiques pour les expériences futures : pour obtenir les meilleurs résultats, les scientifiques devraient utiliser des cristaux qui ne sont pas trop épais et projeter leur lumière de mesure du même côté où les neutrons frappent. Cela garantit qu'ils regardent la région où le plus grand nombre d'atomes ont été créés.
Parmi les trois cristaux testés, le fluorure de calcium et le fluorure de strontium se sont révélés être les candidats les plus prometteurs, produisant légèrement plus d'atomes désirés que le fluorure de lithium. Les chercheurs ont conclu que cette méthode de capture de neutrons offre une voie viable et évolutive pour produire les matériaux nécessaires aux horloges nucléaires. Elle offre un moyen de générer à la fois le thorium à l'état fondamental requis pour le fonctionnement de l'horloge et l'isomère excité nécessaire aux tests, le tout au sein d'un même cristal solide. En transformant un problème de rareté en une solution de fabrication, ce travail lève un obstacle majeur au développement de la prochaine génération de technologie de mesure du temps, rapprochant le rêve d'une horloge nucléaire de la réalité.
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