Efficient production of Th via neutron capture in VUV-transparent crystals
Dit artikel stelt een neutronenvangstmethode voor en evalueert het gebruik van met Ra gedoteerde VUV-transparante kristallen (CaF, SrF en LiF) om efficiënt hoog-actieve Th-bronnen met uitzonderlijke signaal-ruisverhoudingen te produceren, wat een veelbelovend pad biedt om de huidige beperkingen in de aanvoer voor nucleaire klokonderzoek te overwinnen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Tijd, zoals wij die meten, is de hartslag van de moderne technologie. Van de GPS in onze auto's tot de synchronisatie van wereldwijde financiële netwerken, onze wereld vertrouwt op klokken die tikken met ongelooflijke precisie. Decennialang zijn de meest nauwkeurige tijdmeters atoomklokken geweest, die de tijd bijhouden door de trillingen van atomen te tellen. Maar wetenschappers vermoeden al lang dat de volgende sprong in precisie niet ligt in het atoom, maar dieper in de kern. Binnen de kern van een specifiek atoom genaamd thorium-229 bestaat een unieke, laagenergetische toestand die als basis zou kunnen dienen voor een nucleaire klok. Een dergelijk apparaat zou veel stabieler zijn dan de huidige atoomklokken, immuun voor veel van de omgevingsverstoringen die kleine fouten veroorzaken in de instrumenten van vandaag. Het bouwen van deze klok is echter gestagneerd door een simpel, frustrerend probleem: er is niet genoeg van de juiste soort thorium om mee te werken. Het benodigde materiaal is schaars, moeilijk te produceren en vaak gemengd met andere radioactieve elementen die het moeilijk maken om het te bestuderen.
Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier voorgesteld om dit tekort op te lossen, een manier die het probleem van schaarste verandert in een productielijn. In plaats van te proberen de zeldzame thorium uit bestaande voorraden te extraheren, stellen zij voor om het vanaf nul te creëren binnen een kristal. Hun methode houdt in dat ze een ander, meer voorkomend radioactief element genaamd radium in een helder kristal plaatsen, zoals calciumfluoride. Vervolgens bombarderen ze dit kristal met een vloedgolf aan neutronen. In deze intense omgeving vangen de radiumatomen de neutronen op en transformeren ze, om uiteindelijk te vervallen in de zeer thoriumatomen die nodig zijn voor de klok. De onderzoekers gebruikten krachtige computersimulaties om precies in kaart te brengen hoe dit proces zou verlopen, waarbij ze dit testten met drie verschillende soorten kristallen om te zien welke de beste resultaten zou opleveren.
De simulaties toonden aan dat deze aanpak opmerkelijk efficiënt is. Onder de condities die zij modelleerden, die de omgeving van een hoog-flux kernreactor nabootsen, kan het proces in slechts één seconde een enorm aantal van de gewenste thoriumatomen genereren. Specifiek voorspelden de computermodellen dat binnen slechts één seconde van bestraling, een enkel kristal ongeveer één biljoen atomen van de grondtoestand van thorium produceert, evenals een aanzienlijk aantal van zijn speciale, aangeslagen isomeren-toestand. Dit isotoop is de sleutel tot de nucleaire klok, een toestand die lang genoeg duurt om gemeten te worden, maar zeldzaam is om in de natuur te vinden. De studie toonde aan dat deze methode deze atomen kan produceren met een snelheid die grootschalige experimenten haalbaar maakt, waardoor de noodzaak voor de beperkte voorraden die momenteel beschikbaar zijn, wordt omzeild.
Het creëren van de atomen is echter slechts de helft van de strijd; wetenschappers moeten ze ook kunnen zien. Het kristal is niet leeg; het is gevuld met producten van radioactief verval die licht en deeltjes uitzenden, wat een luidruchtige achtergrond creëert die het zwakke signaal van de thorium-isomeer zou kunnen verbergen. De onderzoekers berekenden zorgvuldig deze achtergrondruis, bekend als detsjerenko-straling, die optreedt wanneer geladen deeltjes door het kristal bewegen sneller dan het licht in dat materiaal reist. Ze ontdekten dat hoewel deze achtergrondruis reëel en aanzienlijk is, deze het signaal niet overstemt. Door de juiste timing te kiezen om te kijken—specifiek door enkele duizend seconden te wachten nadat de neutronenbestraling is gestopt—stelden de onderzoekers vast dat het signaal van de thorium-isomeer duidelijk afsteekt tegen de ruis. In hun simulaties was de helderheid van het signaal zo hoog dat de onderzoekers de gewenste atomen konden onderscheiden met een betrouwbaarheidsniveau van één op honderdduizend.
De studie keek ook naar waar deze nieuwe atomen terechtkomen binnen het kristal. Wanneer neutronen het kristal van één zijde raken, dringen ze niet gelijkmatig door tot diep in het materiaal; ze worden geabsorbeerd terwijl ze dieper reizen. De simulaties toonden aan dat de concentratie van de nieuwe thoriumatomen het hoogst is nabij het oppervlak waar de neutronen binnenkomen en afneemt naarmate men dieper gaat. Dit inzicht biedt praktische richtlijnen voor toekomstige experimenten: om de beste resultaten te krijgen, moeten wetenschappers kristallen gebruiken die niet te dik zijn en hun meetlicht vanuit dezelfde kant laten schijnen als waar de neutronen het kristal raken. Dit zorgt ervoor dat ze kijken naar de regio waar de meeste atomen zijn gecreëerd.
Onder de drie geteste kristallen kwamen calciumfluoride en strontiumfluoride als de meest veelbelovende kandidaten naar voren, waarbij ze iets meer van de gewenste atomen produceerden dan lithiumfluoride. De onderzoekers concludeerden dat deze neutronenvangstmethode een levensvatbaar, schaalbaar pad biedt voor de productie van de materialen die nodig zijn voor nucleaire klokken. Het biedt een manier om zowel de grondtoestand van thorium, die vereist is voor de werking van de klok, als de aangeslagen isomeer, die nodig is voor testen, te genereren, allemaal binnen hetzelfde vaste kristal. Door een schaarste probleem te veranderen in een productieoplossing, verwijdert dit werk een belangrijke barrière voor de ontwikkeling van de volgende generatie tijdmeettechnologie, waardoor de droom van een nucleaire klok dichter bij de realiteit komt.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.