In una volta sotterranea racchiusa da muri di cemento di sei piedi e accessibile da un rotolamento, Porta in cemento e acciaio da 25 tonnellate, Università della California, Berkeley, gli studenti stanno facendo ballare i neutroni su una nuova melodia:una più adatta alla produzione di isotopi necessari per la datazione geologica, polizia scientifica, diagnosi e cure ospedaliere.

Incontri e medicina legale si basano su uno spruzzo di neutroni per convertire gli atomi in isotopi radioattivi, che tradiscono la composizione chimica di una sostanza, aiutando a rintracciare una pistola o rivelare l'età di una roccia, Per esempio. Gli ospedali usano gli isotopi prodotti dall'irradiazione di neutroni per uccidere i tumori o individuare malattie come il cancro nel corpo.

Per queste applicazioni, però, solo i reattori nucleari possono produrre uno spruzzo abbastanza forte di neutroni, e ci sono solo due di questi reattori a ovest del Mississippi.

In alternativa, un team di studenti dell'Università di Berkeley ha costruito una sorgente di neutroni da tavolo che sarebbe relativamente poco costosa da riprodurre e alla fine portatile e anche in grado di produrre una gamma più ristretta di energie di neutroni, riducendo al minimo la produzione di sottoprodotti radioattivi indesiderati.

"Qualsiasi ospedale del paese potrebbe avere questa cosa, potrebbero costruirlo per poche centinaia di migliaia di dollari per renderlo locale, isotopi medici di vita molto breve:potresti semplicemente farli salire sull'ascensore fino al paziente, " ha detto Karl van Bibber, un professore di ingegneria nucleare dell'Università di Berkeley che supervisiona gli studenti che perfezionano il dispositivo. "Ha applicazione in geocronologia, analisi dell'attivazione dei neutroni per le forze dell'ordine, quando l'FBI vuole determinare la provenienza di un campione come prova, per esempio:radiografia a neutroni, per cercare crepe nelle parti degli aerei. Questo è molto compatto, le dimensioni di un piccolo forno a convezione; Penso sia grandioso, siamo entusiasti di questo".

I ricercatori della UC Berkeley hanno ora dimostrato che il generatore di neutroni ad alto flusso (HFNG) può produrre neutroni "boutique" - neutroni entro una gamma molto ristretta di energie - che possono essere utilizzati per datare con precisione rocce a grana fine quasi impossibili da datare con altre tecniche di radioisotopi . Lo studio sarà pubblicato questa settimana sulla rivista Progressi scientifici .

"Questo amplierà la capacità di datare materiali a grana fine, come i minerali argillosi associati ai giacimenti minerari, compreso l'oro, o colate laviche, " ha detto Paul Renne, un professore in residenza dell'UC Berkeley nel Dipartimento di Scienze della Terra e dei pianeti e direttore del Berkeley Geochronology Center. "Questo dispositivo potrebbe anche permetterci di guardare gli oggetti più primitivi nel nostro sistema solare - inclusioni ricche di calcio / alluminio trovate in alcuni tipi di meteoriti - che sono anche a grana molto fine".

Come riportano nel nuovo documento, i ricercatori hanno utilizzato il generatore di neutroni per determinare l'età della lava a grana fine dell'eruzione del Vesuvio del 79 d.C., che seppellì la città romana di Pompei. La data calcolata era precisa quanto la risposta data da uno studio esauriente nel 1997 che utilizzava la datazione argon-argon all'avanguardia di campioni irradiati in un reattore nucleare.

"Rende possibile fare cose che altrimenti non sarebbero possibili, " ha detto Ren.

La lunga strada verso la desktop fusion

Renne ha cercato modi migliori per irradiare campioni di roccia per decenni e ha sentito parlare di un possibile metodo dal defunto professore di ingegneria nucleare della UC Berkeley Stanley Prussin, morto nel 2015. La tecnica prevede la fusione di due atomi di deuterio, che sono isotopi dell'idrogeno, per produrre elio-3 e un neutrone. Questi neutroni hanno un'energia - circa 2,5 milioni di elettronvolt - che è l'ideale per irradiare le rocce per condurre la datazione argon-argon, uno dei metodi più precisi in uso oggi.

La datazione argon-argon si basa sul fatto che circa uno su 1, 000 atomi di potassio nella roccia è l'isotopo radioattivo potassio-40, che decade in argon-40 con un'emivita di oltre un miliardo di anni. Usando i neutroni, gli scienziati convertono parte del potassio stabile, potassio-39, all'argon-39, quindi misurare il rapporto tra Ar-40 e Ar-39 nel campione per calcolarne l'età.

I campioni di roccia devono ora essere irradiati nei reattori nucleari, ma i reattori producono neutroni molto energetici che possono espellere gli atomi di argon dal campione - un problema particolare per le rocce con grani microscopici - e anche produrre elementi radioattivi indesiderati. Entrambi gli effetti rendono più difficile il calcolo dell'età.

L'HFNG evita entrambi questi problemi, perché i neutroni sono un decimo dell'energia di quelli di un reattore nucleare e hanno una gamma di energie più ristretta, pur mantenendo un elevato flusso di neutroni.

"Eliminando il problema del rinculo, più riduzione delle reazioni interferenti, è enorme, " Ha detto Renne. "Ma anche gli aspetti radiologici sono migliorati".

"La bellezza di questa cosa, ci siamo accorti, è che non hai questa cosa che vomita neutroni ovunque e crea un problema radiologico, "aggiunse van Bibber, che è il presidente Shankar Sastry per la leadership e l'innovazione. "In realtà stai avendo un numero modesto di neutroni, ma avvicinando il bersaglio alla sorgente puntiforme, la cosa che conta, il flusso di neutroni nel campione è molto alto".

Il primo dispositivo per creare neutroni tramite la fusione deuterio-deuterio (D-D) è stato progettato 10 anni fa dal team di Renne, che includeva il fisico del plasma Ka-Ngo Leung, precedentemente del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Ma il loro prototipo languiva fino a quando van Bibber non si interessò nel 2012, poco dopo la sua nomina a presidente del Dipartimento di Ingegneria Nucleare dell'UC Berkeley. Per alloggiare il generatore a fusione, van Bibber ha rilevato un caveau di cemento precedentemente utilizzato per esperimenti condotti con il reattore nucleare del campus, che si trovava sotto l'attuale Soda Hall, sebbene si trovi in ​​una grande stanza sotterranea che fa parte del seminterrato di Etcheverry Hall, fino a quando il reattore non fu chiuso nel 1987 e fu rimosso.

Il generatore impiega circa 100, 000 volt per accelerare gli atomi di deuterio ionizzato verso un catodo metallico in titanio. Il deuterio si accumula sul catodo in uno strato sottile che poi funge da bersaglio per altri ioni in ingresso. Quando i deuteroni si scontrano si fondono, un neutrone viene prodotto in un ampio raggio che irradia il campione situato a circa un terzo di pollice di distanza.

Negli anni, van Bibber arruolò molti studenti universitari, studenti laureati e borsisti post-dottorato per contribuire a rendere il generatore di neutroni una realtà. Uno di loro, studente trasferito Max Wallace, un anziano emergente interessato alla medicina legale nucleare, era stupito dall'accesso che aveva a una macchina del genere.

"È raro poter lavorare con i radioisotopi da studente universitario, " ha detto l'ex ingegnere del software. "Ho imparato a fare così tanto a tarda notte, indossare guanti e occhiali per misurare la radiazione, prelevare campioni, eseguire i controlli di sicurezza ed eseguire il software. Veramente, Imparerei qualcosa durante il mio corso di fisica nucleare e poi verrei quaggiù per lavorare su un'applicazione diretta".

Per Mauricio Ayllon Unzueta, uno studente del quarto anno laureato in ingegneria nucleare, l'esperienza acquisita nell'aiutare a perfezionare il generatore di neutroni ha portato direttamente a un nuovo progetto presso il Berkeley Lab:progettare una variante dell'HFNG che potesse essere utilizzata sul campo per eseguire l'attivazione dei neutroni dei suoli per misurare il contenuto di carbonio, un'informazione chiave se la società spera di sequestrare carbonio nei suoli per mitigare il cambiamento climatico.

"Attraverso tre generazioni di studenti laureati, l'abbiamo trasformato da qualcosa che a malapena funzionava in un generatore di neutroni ad alte prestazioni, " ha detto Van Bibber.

Daniele Rutte, un ricercatore post-dottorato in geologia dell'UC Berkeley che lavora con Renne e il responsabile del laboratorio BGC Tim Becker, ha svolto un ruolo fondamentale nella progettazione e nella conduzione del primo esperimento di datazione, secondo Renne.

"Daniel è stato letteralmente l'attore chiave nel dimostrare che questo avrebbe funzionato per la geocronologia Ar-Ar, " Egli ha detto.

L'obiettivo di Rutte è sviluppare nuovi metodi e strumenti per comprendere meglio i processi della Terra, in particolare la deformazione della crosta terrestre, che si verifica per lento scorrimento o rapida rottura con conseguente terremoto.

"Per comprendere la deformazione crostale a lungo termine, Data vecchie rotture conservate nel disco rock, " Ha detto Rutte. "Il generatore di neutroni aiuterà i progressi in questo campo ampliando la gamma di materiali che possiamo datare".

Con l'aiuto continuo degli studenti, van Bibber e Renne si aspettano di essere in grado di rendere il generatore di neutroni più compatto e di produrre uno spruzzo di neutroni più intenso, rendendolo più ampiamente utile per la geocronologia, così come per altri usi specializzati. I ricercatori dello Space Sciences Laboratory della UC Berkeley hanno già mostrato interesse nell'usare questi neutroni per testare l'hardware elettronico per determinare come sopravviverà nell'ambiente radioattivo dello spazio. I neutroni ad alta energia potrebbero essere usati per la radiografia dei neutroni, che può integrare la radiografia a raggi X nell'imaging dell'interno di oggetti densi, come i metalli.

"Lo scopo era sempre stato quello di mettere alla prova il sogno di Paul di poter usare una macchina molto compatta, dispositivo a bassa tensione per irradiare neutroni, " ha detto van Bibber. "Abbiamo ora dimostrato che qualsiasi università può avere una sorgente di neutroni per eseguire la tecnica di datazione argon-argon".