Una nuova, tecnica compatta per produrre fasci di fotoni ad alta energia (particelle di luce) con energia e direzione precisamente controllate potrebbe "vedere" attraverso acciaio e cemento spessi per rilevare e identificare più facilmente materiali nucleari nascosti o contrabbandati, secondo un rapporto condotto dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia.

Questi fotoni sono simili ai raggi X ma hanno un'energia fotonica ancora maggiore rispetto ai raggi X convenzionali, che consente loro di penetrare materiali spessi.

Le tecniche passate hanno avuto un'ampia diffusione di energia e angolo che ne ha limitato l'efficacia. Nuovi sviluppi potrebbero portare le capacità di alta precisione, strutture delle dimensioni di un edificio a piattaforme mobili o di dimensioni ambiente che consentono una gamma di usi di sicurezza e non proliferazione nucleare ad alta priorità.

Questa precisione può aumentare contemporaneamente la risoluzione producendo una dose di radiazioni più bassa per molti usi all'interno e oltre la sicurezza nucleare, come:

• Rilevamento di contrabbando o esplosivi.
• Verifica del contenuto delle botti che immagazzinano il combustibile esaurito del reattore nucleare.
• Monitoraggio della conformità al trattato nucleare.
• Rilevamento di un ordigno nucleare nascosto.
• Caratterizzazione dei pericoli dopo un incidente nucleare.
• Controllo di qualità industriale e potenzialmente radiografie mediche.

"Questo rapporto si concentra su quale tipo di fonte è necessaria per avere il maggiore impatto piuttosto che su ciò che è stato sviluppato fino ad oggi, " ha detto Giovanni Valentino, Program manager del Berkeley Lab per la sicurezza nazionale e nazionale. "Dispone la tabella di marcia per la realizzazione delle applicazioni". Il rapporto è stato preparato per la National Nuclear Security Administration (NNSA), un'agenzia del DOE responsabile delle applicazioni della scienza nucleare incentrate sulla sicurezza nazionale.

"Una delle principali applicazioni per questo tipo di tecnologia è il rilevamento di materiale nucleare nascosto, ad esempio, nascosto nei container o in un veicolo, ma è ampiamente utilizzato per rilevare altri tipi di contrabbando, "ha detto Cameron Geddes, uno scienziato del personale del Berkeley Laboratory Laser Accelerator (BELLA) Center del laboratorio. Geddes ha guidato la preparazione del rapporto con Bernhard Ludewigt, uno scienziato dello staff del Fusion Science and Ion Beam Technology Group del Lab, parte della Divisione Tecnologia degli Acceleratori e Fisica Applicata (ATAP).

Geddes e Ludewigt hanno lavorato con un team di scienziati del Pacifico nord-occidentale, Idaho, e laboratori nazionali Lawrence Livermore, così come l'Università del Michigan, condurre simulazioni dettagliate che mostrassero le capacità migliorate rese possibili dalle nuove tecniche.

"Le tecnologie esistenti utilizzano comunemente le cosiddette sorgenti 'Bremsstrahlung' per rilevare e identificare materiali nucleari, " ha affermato Ludewigt. Questo tipo di sorgente di radiazioni non è strettamente diretta e fornisce una diffusione a forma di ventaglio su un'ampia gamma di radiazioni. Tali caratteristiche possono limitare le capacità di imaging e richiedere dosi più elevate di radiazioni.

Conosciuta come una "sorgente di fotoni monoenergetici, " la nuova tecnologia avrebbe un raggio strettamente collimato, il che significa che i suoi fotoni viaggerebbero quasi paralleli l'uno all'altro in un percorso stretto. Questi fotoni avrebbero anche un intervallo di energia ristretto e sintonizzabile con precisione. Queste proprietà ridurrebbero l'emissione di radiazioni necessaria durante le scansioni rispetto ad altre tecnologie oggi in uso e ridurrebbero anche l'effetto di segnali indesiderati, come il rumore dei fotoni sparsi, che possono interferire con il rilevamento di materiali nucleari.

Durante la scansione di materiali nucleari nascosti, Ludewigt ha detto, "Non vorrai dover aprire ogni contenitore che contiene qualcosa di denso". La capacità di scansionare rapidamente oggetti di grandi dimensioni, come container di carico, è anche fondamentale, mentre milioni di container si riversano negli Stati Uniti ogni anno.

Il raggio della tecnica di scansione deve essere sicuro anche per gli esseri umani che potrebbero inavvertitamente entrare in contatto con esso, Aggiunse Geddes. "Ciò significa che dobbiamo eseguire il rilevamento con un'elevata specificità mantenendo la dose bassa, in modo che se qualcuno si nasconde nel container la scansione non gli danneggerà, " Egli ha detto.

Le simulazioni mostrano, Per esempio, che la scansione a due intervalli di energia separati consentirebbe agli operatori di identificare il tipo generale di materiali presenti. Se in questa scansione iniziale viene scoperto un oggetto così spesso o denso da richiedere una scansione più profonda per esplorarne il contenuto, quindi, sintonizzando l'energia su valori specifici, la stessa sorgente di fotoni potrebbe essere utilizzata per identificare se un oggetto è materiale nucleare.

Con un controllo molto stretto sull'energia del raggio, la nuova fonte potrebbe anche identificare l'elemento esatto, compresi gli isotopi degli elementi, che hanno un peso atomico diverso e possono essere importanti per valutare le minacce alla sicurezza nucleare.

Il rapporto rileva inoltre che la ridotta dose di radiazioni del raggio e la maggiore specificità nel rilevamento dei materiali potrebbero avere un forte impatto in altri campi che utilizzano fotoni ad alta energia, compresi gli usi medici e industriali. Una tale fonte sarebbe, Per esempio, migliorare l'analisi industriale non distruttiva:la capacità di guardare all'interno dei macchinari senza la necessità di smontarli.

Mentre gli acceleratori di particelle delle dimensioni di un edificio sono stati a lungo in grado di rendere precisi, fasci di fotoni monoenergetici, la nuova tecnologia potrebbe ridurre questi sistemi, rendendoli più convenienti e compatti per consentire un ampio utilizzo.

"Invece di portare le applicazioni sulla macchina, speriamo di portare la macchina alle applicazioni, se questo significa scansionare il carico, verifica del rispetto del trattato, o molti altri usi, " disse Wim Leemans, direttore del Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center e della divisione ATAP del laboratorio.

Berkeley Lab è tra i leader nello sforzo mondiale per sviluppare nuovi, tecnologie di accelerazione compatte presso il suo centro BELLA. BELLA utilizza i laser per generare uno stato supercaldo della materia noto come plasma, e per generare grappoli di elettroni e accelerarli rapidamente ad alte energie su una distanza molto breve.

Gli esperimenti hanno già dimostrato che gli acceleratori al plasma di BELLA possono produrre i tipi di fasci di elettroni necessari per realizzare un fascio di fotoni ad alta energia controllato che soddisfi i requisiti descritti nel rapporto.

Geddes sta conducendo un progetto separato del Centro BELLA per dimostrare una fonte monoenergetica compatta. I fasci sarebbero generati dalla dispersione di un raggio laser separato dal raggio di elettroni ad alta energia da un acceleratore di plasma per produrre fasci di fotoni pulsati con una gamma ristretta di energie e angoli controllati, un processo chiamato scattering Thomson. Il nuovo rapporto descrive in dettaglio come tali fasci potrebbero migliorare l'identificazione e la qualità delle immagini dei materiali nucleari.

"Stiamo testando nuove tecnologie in grado di ridurre le enormi scale e i costi degli acceleratori di prossima generazione, permettendoci di esplorare nuovi regni della fisica, " ha detto Leemans. Questi includono collisori di particelle ad alta energia di prossima generazione, e laser a elettroni liberi che producono i raggi X più luminosi del mondo. Tutti questi richiedono velocità di impulso più elevate per i laser che guidano le nuove sorgenti, e sono inoltre in corso attività di ricerca e sviluppo per le frequenze del polso che consentirebbero le tecniche descritte nel rapporto.