Dans le générateur de neutrons à haut flux, Des chercheurs de l'UC Berkeley chauffent les atomes de deutérium dans une chambre à vide à 50, 000 degrés Celsius pour obtenir un plasma ionisé (lueur rose), puis accélérer les ions jusqu'à ce qu'ils entrent en collision et fusionnent avec d'autres atomes de deutérium implantés dans la cathode en titane, libérant des neutrons au cours du processus. La bobine spirale est l'antenne radiofréquence refroidie à l'eau qui chauffe le plasma, vu à travers une fenêtre de quartz dans la chambre à vide. Crédit :Cory Waltz, LLNL
Dans une voûte souterraine fermée par des murs de béton de six pieds et accessible par un chemin de ronde, Porte en béton et acier de 25 tonnes, Université de Californie, Berkeley, les étudiants font danser les neutrons sur une nouvelle mélodie :mieux adaptée à la production des isotopes nécessaires à la datation géologique, police scientifique, diagnostic et traitement hospitalier.
La datation et la médecine légale reposent sur un jet de neutrons pour convertir les atomes en isotopes radioactifs, qui trahissent la composition chimique d'une substance, aider à tracer une arme à feu ou révéler l'âge d'un rocher, par exemple. Les hôpitaux utilisent des isotopes produits par irradiation neutronique pour tuer des tumeurs ou localiser des maladies comme le cancer dans le corps.
Pour ces applications, cependant, seuls les réacteurs nucléaires peuvent produire un jet suffisamment puissant de neutrons, et il n'y a que deux réacteurs de ce type à l'ouest du Mississippi.
Comme alternative, une équipe comprenant des étudiants de l'UC Berkeley a construit une source de neutrons de table qui serait relativement peu coûteuse à reproduire et finalement portable et également capable de produire une gamme plus étroite d'énergies neutroniques, minimiser la production de sous-produits radioactifs indésirables.
"N'importe quel hôpital du pays pourrait avoir cette chose, ils pourraient le construire pour quelques centaines de milliers de dollars pour faire du local, isotopes médicaux à très courte durée de vie - vous pouvez simplement les faire monter dans l'ascenseur jusqu'au patient, " a déclaré Karl van Bibber, un professeur de génie nucléaire de l'UC Berkeley qui supervise les étudiants perfectionnant l'appareil. "Cela a une application en géochronologie, analyse d'activation neutronique pour les forces de l'ordre - lorsque le FBI veut déterminer la provenance d'un échantillon comme preuve, par exemple — radiographie neutronique, rechercher des fissures dans les pièces d'avion. C'est très compact, la taille d'un petit four à convection; Je pense que c'est super, nous sommes excités à ce sujet."
Les chercheurs de l'UC Berkeley ont maintenant démontré que le générateur de neutrons à haut flux (HFNG) peut produire des neutrons "boutique" - des neutrons dans une plage d'énergies très étroite - qui peuvent être utilisés pour dater avec précision des roches à grain fin presque impossibles à dater par d'autres techniques radio-isotopiques. . L'étude sera publiée cette semaine dans la revue Avancées scientifiques .
« Cela augmentera la capacité de datation des matériaux à grain fin, comme les minéraux argileux associés aux gisements de minerai, y compris l'or, ou coulées de lave, " dit Paul Renne, professeur en résidence à l'UC Berkeley au Département des sciences de la Terre et des planètes et directeur du Berkeley Geochronology Center. "Cet appareil pourrait également nous permettre d'examiner les objets les plus primitifs de notre système solaire - des inclusions riches en calcium/aluminium trouvées dans certains types de météorites - qui sont également à grain très fin."
Comme ils le rapportent dans le nouveau journal, les chercheurs ont utilisé le générateur de neutrons pour déterminer l'âge de la lave à grain fin de l'éruption du Vésuve en 79 après JC, qui ensevelit la ville romaine de Pompéi. La date qu'ils ont calculée était aussi précise que la réponse donnée par une étude exhaustive en 1997 utilisant une datation argon-argon de pointe d'échantillons irradiés dans un réacteur nucléaire.
"Cela permet de faire des choses qui n'étaient pas possibles autrement, " dit René.
Cette vue en coupe du générateur de neutrons à haut flux montre les deux chambres (bronze) où le deutérium est chauffé à 50, 000 degrés Celsius, créant un plasma de deutérium ionisé. Un 100, Une charge de 000 volts au niveau de la plaque d'extraction accélère les ions vers la cible, qui contient plus d'atomes de deutérium. Lorsque deux atomes de deutérium fusionnent, ils produisent un neutron, qui irradie un échantillon placé à proximité. Le carénage empêche un échauffement excessif des électrons en retour. Crédit :Karl van Bibber, UC Berkeley
Le long chemin vers la fusion de bureau
Renne recherche de meilleurs moyens d'irradier des échantillons de roche depuis des décennies et a entendu parler d'une méthode possible par le regretté professeur d'ingénierie nucléaire de l'UC Berkeley, Stanley Prussin, décédé en 2015. La technique implique la fusion de deux atomes de deutérium, qui sont des isotopes de l'hydrogène, pour produire de l'hélium-3 et un neutron. Ces neutrons ont une énergie d'environ 2,5 millions d'électrons-volts, idéale pour irradier des roches pour effectuer une datation argon-argon, l'une des méthodes les plus précises utilisées aujourd'hui.
La datation argon-argon repose sur le fait qu'environ une personne sur 1, 000 atomes de potassium dans la roche est l'isotope radioactif potassium-40, qui se désintègre en argon-40 avec une demi-vie de plus d'un milliard d'années. En utilisant des neutrons, les scientifiques convertissent une partie du potassium stable, potassium-39, à l'argon-39, puis mesurez le rapport de l'Ar-40 à l'Ar-39 dans l'échantillon pour calculer son âge.
Les échantillons de roche doivent désormais être irradiés dans les réacteurs nucléaires, mais les réacteurs produisent des neutrons très énergétiques qui peuvent faire sortir des atomes d'argon de l'échantillon - un problème particulier pour les roches à grains microscopiques - et produire également des éléments radioactifs indésirables. Ces deux effets rendent le calcul de l'âge plus difficile.
Le HFNG évite ces deux problèmes, parce que les neutrons sont un dixième de l'énergie de ceux d'un réacteur nucléaire et ont une gamme d'énergies plus étroite, tout en maintenant un flux élevé de neutrons.
"En éliminant le problème du recul, plus la réduction des réactions perturbatrices, est énorme, ", a déclaré Renne. "Mais les aspects radiologiques sont également améliorés."
"La beauté de cette chose, nous avons réalisé, c'est que vous n'avez pas cette chose crachant des neutrons partout et créant un problème radiologique, " a ajouté van Bibber, qui est la chaire Shankar Sastry de leadership et d'innovation. "Vous avez en fait un nombre modeste de neutrons, mais en rapprochant la cible de la source ponctuelle - la chose qui compte - le flux de neutrons au niveau de l'échantillon est très élevé."
Le premier appareil à créer des neutrons par fusion deutérium-deutérium (D-D) a été conçu il y a 10 ans par l'équipe de Renne, qui comprenait le physicien des plasmas Ka-Ngo Leung, anciennement du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Mais leur prototype a langui jusqu'à ce que van Bibber s'y intéresse en 2012, peu de temps après sa nomination à la tête du département de génie nucléaire de l'UC Berkeley. Pour abriter le générateur de fusion, van Bibber a repris une voûte en béton anciennement utilisée pour les expériences menées avec le réacteur nucléaire du campus, qui se trouvait sous ce qui est maintenant Soda Hall - bien qu'il se trouve dans une grande pièce souterraine qui fait partie du sous-sol d'Etcheverry Hall - jusqu'à ce que le réacteur ferme en 1987 et soit retiré.
Le générateur emploie environ 100, 000 volts pour accélérer des atomes de deutérium ionisés vers une cathode métallique en titane. Le deutérium s'accumule sur la cathode en une fine couche qui sert alors de cible pour d'autres ions entrants. Lors de la collision des deutérons fusionnent, un neutron est produit dans un large faisceau qui irradie l'échantillon situé à environ un tiers de pouce.
Les étudiants diplômés Mauricio Ayllon Unzueta (à gauche) et Jonathan Morrell ajustent le générateur de neutrons à haut flux dans une voûte souterraine à l'UC Berkeley. La chambre à vide en aluminium contient le plasma de deutérium et la cible cathodique où les neutrons sont générés par fusion. Crédit :UC Berkeley photo par Irene Yi
Au cours des années, van Bibber a enrôlé de nombreux étudiants de premier cycle, étudiants diplômés et stagiaires postdoctoraux pour aider à faire du générateur de neutrons une réalité. L'un d'eux, étudiant transféré Max Wallace, un senior montant intéressé par la criminalistique nucléaire, a été étonné de l'accès qu'il avait à une telle machine.
"Il est rare de pouvoir travailler avec les radio-isotopes en tant que premier cycle, " a déclaré l'ancien ingénieur logiciel. " J'ai appris à faire tellement de choses tard dans la nuit, porter des gants et des lunettes pour mesurer le rayonnement, prélèvement d'échantillons, effectuer des contrôles de sécurité et exécuter le logiciel. Vraiment, J'apprenais quelque chose dans mon cours de physique nucléaire, puis je venais ici pour travailler sur une application directe de celui-ci. »
Pour Mauricio Ayllon Unzueta, un étudiant de quatrième année en génie nucléaire, l'expérience qu'il a acquise en aidant à perfectionner le générateur de neutrons a conduit directement à un nouveau projet au Berkeley Lab :concevoir une variante du HFNG qui pourrait être utilisée sur le terrain pour effectuer l'activation neutronique des sols afin de mesurer la teneur en carbone - une information clé si la société espère séquestrer le carbone dans les sols pour atténuer le changement climatique.
« Grâce à trois générations d'étudiants diplômés, nous l'avons transformé de quelque chose qui fonctionnait à peine en un générateur de neutrons très performant, " a déclaré van Bibber.
Daniel Rutte, un chercheur postdoctoral en géologie de l'UC Berkeley travaillant avec Renne et le directeur du laboratoire BGC Tim Becker, a joué un rôle essentiel dans la conception et la réalisation de la première expérience de datation, selon Rennes.
"Daniel a littéralement été l'acteur clé pour démontrer que cela fonctionnerait pour la géochronologie Ar-Ar, " il a dit.
L'objectif de Rutte est de développer de nouvelles méthodes et instruments pour mieux comprendre les processus terrestres, en particulier la déformation de la croûte terrestre, qui se produit par fluage lent ou rupture rapide entraînant des tremblements de terre.
"Pour comprendre la déformation crustale à long terme, Je date d'anciennes ruptures conservées dans le rock record, " a déclaré Rutte. " Le générateur de neutrons contribuera aux progrès dans ce domaine en élargissant la gamme de matériaux que nous pouvons dater. "
Avec l'aide continue des étudiants, van Bibber et Renne espèrent pouvoir rendre le générateur de neutrons plus compact et produire une pulvérisation de neutrons plus intense, le rendant plus largement utile pour la géochronologie, ainsi que pour d'autres usages spécialisés. Des chercheurs du Space Sciences Laboratory de l'UC Berkeley ont déjà manifesté leur intérêt pour l'utilisation de ces neutrons pour tester du matériel électronique afin de déterminer comment il survivra dans l'environnement radioactif de l'espace. Des neutrons de plus haute énergie pourraient être utilisés pour la radiographie neutronique, qui peut compléter la radiographie aux rayons X en imageant l'intérieur d'objets denses, comme les métaux.
"Le but depuis le début était de tester le rêve de Paul de savoir si nous pouvions utiliser un très compact, dispositif basse tension pour faire l'irradiation neutronique, " a déclaré van Bibber. "Nous avons maintenant montré que n'importe quelle université peut avoir une source de neutrons pour faire la technique de datation argon-argon."
