I laser superveloci creano un pennacchio di plasma che può essere utilizzato per determinare i materiali e la loro chimica. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Montagne. Contenitori di spedizione. La superficie di Marte.
Ci sono momenti in cui è complicato o impossibile portare un campione in un laboratorio per testarne la composizione.
Ciò è particolarmente vero quando si tratta di rilevare esplosioni contenenti materiale nucleare. Il rilevamento che può essere eseguito rapidamente o in loco riduce al minimo l'esposizione umana durante raccolte pericolose o analisi di laboratorio.
Però, la natura della chimica nucleare, in particolare l'ossidazione, il modo in cui l'uranio interagisce con l'ossigeno durante un'esplosione nucleare è in gran parte sconosciuto, lasciando lacune nella nostra capacità di identificare con precisione le attività nucleari. Un team di ricercatori guidati dal fisico Sivanandan S. Harilal del PNNL sta lavorando per ampliare le nostre conoscenze sulla chimica dell'uranio utilizzando uno strumento sorprendente:i laser.
Il metodo, dettagliato in un recente articolo sul Journal of Analytical Atomic Spectrometry, mostra come la misurazione della luce prodotta nei plasmi prodotti da un laser può essere utilizzata per comprendere l'ossidazione dell'uranio nelle palle di fuoco nucleari. Questa capacità fornisce informazioni mai viste prima sull'ossidazione in fase gassosa dell'uranio durante le esplosioni nucleari. Queste intuizioni progrediscono ulteriormente verso un affidabile, metodo senza contatto per il rilevamento a distanza di elementi e isotopi di uranio, con implicazioni per le garanzie di non proliferazione, monitoraggio delle esplosioni e verifica dei trattati.
Plasmi di non proliferazione
un pulsante, veloce come un fulmine laser esplode in un materiale solido ed eccita gli atomi in modo che si vaporizzino in un minuscolo, pennacchio di plasma dai colori vivaci. La reazione quando gli atomi saltano in questo pennacchio di plasma incandescente emette luce che i ricercatori possono catturare e studiare usando la spettroscopia ottica.
L'effetto dell'ossigeno sul laser all'uranio ha prodotto plasmi. Un lampo di luce più intenso associato al monossido di uranio si vede quando è presente più ossigeno. Però, con più ossigeno i plasmi non persistono più a lungo. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
I plasmi formati da elementi diversi a temperature diverse emettono diverse lunghezze d'onda della luce, ognuno dei quali produce un colore distinto. Così, il colore del plasma nella fiamma di una candela è diverso dal plasma prodotto in un'insegna al neon, o il microscopico pennacchio di plasma che Harilal e il suo team generano per studiare l'uranio.
I colori distinti della luce emessa da un plasma sono gli stessi, indipendentemente dalla quantità di materiale che viene trasformato in plasma. Il plasma prodotto da laser all'uranio (LPP) di Harilal è costituito da una quantità così piccola di materiale nucleare che il metodo può essere considerato non distruttivo. Comunque, le misurazioni della luce che i ricercatori ottengono da LPP sono simili alle reazioni nella palla di fuoco prodotta durante un'esplosione nucleare.
"È una questione di scala, " dice Harilal. "I laser creano la stessa chimica della palla di fuoco che si verifica in un'esplosione nucleare, così possiamo studiare la chimica e come reagisce alle diverse condizioni ambientali. È piccolo, ma la luce è buona. Possiamo ritirarlo senza problemi".
Vedere la luce in LPP
Sebbene la luce dei plasmi sia facile da raccogliere, la differenza nelle lunghezze d'onda della luce emessa da specifiche molecole è più difficile da decifrare. E l'uranio è così reattivo con l'ossigeno nella palla di fuoco dell'esplosione che crea molte diverse combinazioni di ossido di uranio. Queste combinazioni molecolari possono essere ovunque da un atomo di uranio accoppiato con un singolo atomo di ossigeno, a più atomi di uranio legati a ben otto atomi di ossigeno.
Molteplici specie di uranio complicano immediatamente il modo in cui la spettroscopia decifra la semplice raccolta di luce. Queste specie di uranio emettono luce in uno spettro di colori così stretto con differenze così piccole nelle lunghezze d'onda che ogni lunghezza d'onda sta appena iniziando ad essere abbinata alla sua rispettiva transizione di ossido di uranio.
I ricercatori hanno ingrandito lo stretto spettro di lunghezze d'onda utilizzando filtri a banda stretta che il team aveva precedentemente sviluppato. Questi filtri a banda stretta funzionano isolando la luce emessa a lunghezze d'onda specifiche in modo che vengano raccolte e analizzate solo le specie specifiche associate alle lunghezze d'onda.
La posizione dell'uranio e dell'ossido di uranio durante i primi 5-50 milionesimi di secondo del ciclo di vita di un laser ha prodotto il plasma. Le caselle rettangolari grigie rappresentano la posizione di destinazione. Credito:Pacific Northwest National Laboratory
Un filtro misurava solo l'uranio atomico, e un altro ossido di uranio misurato nel plasma durante gli impulsi laser. Il team ha quindi misurato la luce emessa dal plasma mentre aumentava l'ossigeno nell'ambiente, guardando per vedere come la chimica è cambiata in presenza di più ossigeno.
Utilizzando istantanee temporizzate del plasma (chiamate imaging fast-gated), Harilal e il suo team hanno osservato direttamente come il monossido di uranio e gli atomi di uranio si sono spostati attraverso l'LPP nel tempo e in base alla posizione. Questo ha permesso loro di vedere come e dove si sono formate le specie e come sono persistite mentre il pennacchio di plasma si espandeva e si dissipava.
Lunghezze d'onda per la non proliferazione
Il team ha scoperto che gli ossidi di uranio si formano più lontano dal bersaglio, dove le temperature più basse favoriscono la ricombinazione molecolare. Gli ossidi di uranio si formano anche in tempi successivi nel corso della vita del plasma. Quando è presente più ossigeno, i plasmi non durano a lungo.
Comprendere l'evoluzione degli atomi di uranio in monossido di uranio in ossidi superiori è fondamentale per la modellizzazione predittiva degli eventi di esplosione. preciso, modelli convalidati sperimentalmente significano un monitoraggio della non proliferazione nucleare più efficace e una migliore comprensione generale della chimica dell'uranio.
Oltre ad aiutare i ricercatori a comprendere meglio la chimica del plasma dell'uranio, le tecniche laser utilizzate in questo lavoro sono anche in fase di sviluppo per il campo, anche il monitoraggio remoto della non proliferazione. Poiché l'ablazione laser accoppiata alla spettroscopia ad emissione ottica misura la luce emessa da un plasma, la raccolta dei dati può essere effettuata da una cassaforte, distanza di stallo che non richiede la manipolazione del campione. Questa tecnica ha implicazioni per la medicina legale nucleare e il monitoraggio delle salvaguardie.
