Efficient production of Th via neutron capture in VUV-transparent crystals
Questo articolo propone e valuta un metodo di cattura neutronica utilizzando cristalli trasparenti ai VUV (CaF, SrF e LiF) drogati con Ra per produrre efficientemente sorgenti di Th ad alta attività con eccezionali rapporti segnale-rumore, offrendo un percorso promettente per superare le attuali limitazioni di approvvigionamento per la ricerca sugli orologi nucleari.
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Il tempo, così come lo misuriamo, è il battito cardiaco della tecnologia moderna. Dal GPS nelle nostre auto alla sincronizzazione delle reti finanziarie globali, il nostro mondo si affida a orologi che ticchettano con un'incredibile precisione. Per decenni, i cronometri più accurati sono stati gli orologi atomici, che misurano il tempo contando le vibrazioni degli atomi. Ma gli scienziati sospettano da tempo che il prossimo salto di precisione non risieda nell'atomo, ma più in profondità, all'interno del nucleo. All'interno del nucleo di un atomo specifico chiamato torio-229, esiste uno stato unico a bassa energia che potrebbe servire come base per un orologio nucleare. Un tale dispositivo sarebbe molto più stabile degli attuali orologi atomici, immune da molte delle perturbazioni ambientali che causano piccoli errori negli strumenti odierni. Tuttavia, la costruzione di questo orologio è stata bloccata da un problema semplice e frustrante: non c'è abbastanza del tipo giusto di torio con cui lavorare. Il materiale necessario è scarso, difficile da produrre e spesso mescolato con altri elementi radioattivi che lo rendono difficile da studiare.
Un team di ricercatori ha proposto un nuovo modo per risolvere questa carenza, uno che trasforma il problema della scarsità in una linea di produzione. Invece di cercare di estrarre il raro torio dalle scorte esistenti, suggeriscono di crearlo da zero all'interno di un cristallo. Il loro metodo prevede di prendere un elemento radioattivo diverso e più comune, il radio, e posizionarlo all'interno di un cristallo trasparente, come il fluoruro di calcio. Successivamente, bombardano questo cristallo con un flusso di neutroni. In questo ambiente intenso, gli atomi di radio catturano i neutroni e si trasformano, decadendo infine nei medesimi atomi di torio necessari per l'orologio. I ricercatori hanno utilizzato potenti simulazioni al computer per mappare esattamente come funzionerebbe questo processo, testandolo con tre diversi tipi di cristalli per vedere quale avrebbe prodotto i risultati migliori.
Le simulazioni hanno rivelato che questo approccio è straordinariamente efficiento. Sotto le condizioni modellate, che imitano l'ambiente di un reattore nucleare ad alto flusso, il processo può generare un numero enorme di atomi del torio desiderato in un singolo secondo. Nello specifico, i modelli al computer hanno previsto che, entro un solo secondo di irraggiamento, un singolo cristallo possa produrre circa un trilione di atomi dello stato fondamentale del torio e un numero significativo del suo speciale stato di isomero eccitato. Questo isomero è la chiave per l'orologio nucleare, uno stato che dura abbastanza a lungo da essere misurato ma che è raro da trovare in natura. Lo studio ha dimostrato che questo metodo può produrre questi atomi a un ritmo che rende fattibili gli esperimenti su larga scala, superando la necessità di fare affidamento sulle limitate scorte attualmente disponibili.
Tuttavia, creare gli atomi è solo metà della battaglia; gli scienziati devono anche essere in grado di vederli. Il cristallo non è vuoto; è pieno di prodotti di decadimento radioattivo che emettono luce e particelle, creando un rumore di fondo che potrebbe nascondere il debole segnale dell'isomero del torio. I ricercatori hanno calcolato attentamente questo rumore, noto come radiazione di Cherenkov, che si verifica quando le particelle cariche si muovono attraverso il cristallo più velocemente di quanto la luce viaggi in quel materiale. Hanno scoperto che, sebbene questo rumore di fondo sia reale e significativo, non sovrasta il segnale. Scegliendo il momento giusto per osservare — nello specifico, aspettando alcuni migliaia di secondi dopo che il bombardamento neutronico è terminato — i ricercatori hanno determinato che il segnale dell'isomero del torio emerge chiaramente rispetto al rumore. Nelle loro simulazioni, la chiarezza del segnale era tale che i ricercatori potevano distinguere gli atomi desiderati con un livello di confidenza di una parte su centomila.
Lo studio ha anche esaminato dove finiscono questi nuovi atomi all'interno del cristallo. Quando i neutroni colpiscono il cristallo da un lato, non penetrano uniformemente fino in fondo; vengono assorbiti mentre procedono in profondità. Le simulazioni hanno mostrato che la concentrazione dei nuovi atomi di torio è massima vicino alla superficie da cui entrano i neutroni e diminuisce man mano che si va in profondità. Questo risultato offre una guida pratica per i futi esperimenti: per ottenere i risultati migliori, gli scienziati dovrebbero utilizzare cristalli che non siano troppo spessi e proiettare la luce di misura dallo stesso lato in cui colpiscono i neutroni. Ciò assicura di guardare nella regione in cui è stato creato il maggior numero di atomi.
Tra i tre cristalli testati, il fluoruro di calcio e il fluoruro di stronzio sono emersi come i candidati più promettenti, producendo leggermente più atomi desiderati rispetto al fluoruro di litio. I ricercatori hanno concluso che questo metodo di cattura neutronica fornisce una via praticabile e scalabile per produrre i materiali necessari per gli orologi nucleari. Esso offre un modo per generare sia lo stato fondamentale del torio richiesto per il funzionamento dell'orologio, sia l'isomero eccitato necessario per i test, il tutto all'interno dello stesso cristallo solido. Trasformando un problema di scarsità in una soluzione di produzione, questo lavoro rimuove una barriera fondamentale allo sviluppo della prossima generazione di tecnologia di misurazione del tempo, portando il sogno di un orologio nucleare più vicino alla realtà.
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