Les lasers ultrarapides forment un panache de plasma qui peut être utilisé pour déterminer les matériaux et leur chimie. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Montagnes. Des conteneurs d'expédition. La surface de Mars.
Il y a des moments où il est compliqué voire impossible d'apporter un échantillon dans un laboratoire pour tester sa composition.
Cela est particulièrement vrai lorsqu'il s'agit de détecter des explosions contenant des matières nucléaires. La détection qui peut être effectuée rapidement ou sur site minimise l'exposition humaine lors de collectes dangereuses ou d'analyses en laboratoire.
Cependant, la nature de la chimie nucléaire, en particulier l'oxydation, la façon dont l'uranium interagit avec l'oxygène lors d'une explosion nucléaire est en grande partie inconnue, laissant des lacunes dans notre capacité à identifier avec précision les activités nucléaires. Une équipe de chercheurs dirigée par le physicien du PNNL Sivanandan S. Harilal travaille à élargir notre compréhension de la chimie de l'uranium à l'aide d'un outil surprenant :les lasers.
La méthode, détaillé dans un article récent du Journal of Analytical Atomic Spectrometry, montre comment la mesure de la lumière produite dans les plasmas fabriqués à partir d'un laser peut être utilisée pour comprendre l'oxydation de l'uranium dans les boules de feu nucléaires. Cette capacité donne des informations inédites sur l'oxydation de l'uranium en phase gazeuse lors d'explosions nucléaires. Ces informations progressent vers une solution fiable, méthode sans contact pour la détection à distance des éléments et des isotopes de l'uranium, avec des implications pour les garanties de non-prolifération, surveillance des explosions et vérification des traités.
Plasmas de non-prolifération
Une pulsation, rapide comme un éclair laser souffle dans un matériau solide et excite les atomes afin qu'ils se vaporisent en un minuscule, panache de plasma aux couleurs vives. La réaction lorsque les atomes sautent dans ce panache de plasma super chaud émet une lumière que les chercheurs peuvent capturer et étudier à l'aide de la spectroscopie optique.
L'effet de l'oxygène sur les plasmas produits par laser à l'uranium. Un éclair de lumière plus intense associé au monoxyde d'uranium est observé lorsque plus d'oxygène est présent. Cependant, avec plus d'oxygène, les plasmas ne persistent pas aussi longtemps. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Les plasmas fabriqués à partir de différents éléments à différentes températures émettent différentes longueurs d'onde de lumière, dont chacun produit une couleur distincte. Ainsi, la couleur du plasma dans la flamme d'une bougie est différente de celle du plasma fabriqué dans une enseigne au néon, ou le panache de plasma microscopique généré par Harilal et son équipe pour étudier l'uranium.
Les couleurs distinctes de la lumière émise par un plasma sont les mêmes, quelle que soit la quantité de matière transformée en plasma. Le plasma produit par laser à l'uranium (LPP) de Harilal est fabriqué à partir d'une si petite quantité de matière nucléaire que la méthode peut être considérée comme non destructive. Toutefois, les mesures de lumière que les chercheurs obtiennent du LPP sont similaires aux réactions de la boule de feu produites lors d'une explosion nucléaire.
"C'est une question d'échelle, " dit Harilal. " Les lasers créent la même chimie de boule de feu qui se produit dans une explosion nucléaire, afin que nous puissions étudier la chimie et comment elle réagit à différentes conditions environnementales. C'est petit, mais la lumière est bonne. Nous pouvons le récupérer sans problème."
Voir la lumière dans LPP
Bien que la lumière des plasmas soit facile à collecter, la différence dans les longueurs d'onde de la lumière émise par des molécules spécifiques est plus difficile à déchiffrer. Et l'uranium est si réactif avec l'oxygène dans la boule de feu de l'explosion qu'il crée de nombreuses combinaisons différentes d'oxyde d'uranium. Ces combinaisons moléculaires peuvent aller d'un atome d'uranium associé à un seul atome d'oxygène, à plusieurs atomes d'uranium liés à jusqu'à huit atomes d'oxygène.
De multiples espèces d'uranium compliquent immédiatement la façon dont la spectroscopie déchiffre la simple collection de lumière. Ces espèces d'uranium émettent de la lumière dans un spectre de couleurs si étroit avec de si petites différences de longueurs d'onde que chaque longueur d'onde commence seulement à correspondre à sa transition d'oxyde d'uranium respective.
Les chercheurs ont zoomé sur le spectre étroit des longueurs d'onde à l'aide de filtres à bande étroite que l'équipe avait précédemment développés. Ces filtres à bande étroite fonctionnent en isolant la lumière émise à des longueurs d'onde spécifiques afin que seules les longueurs d'onde associées aux espèces spécifiques soient collectées et analysées.
La localisation de l'uranium et de l'oxyde d'uranium pendant les 5 à 50 premiers millionièmes de seconde du cycle de vie d'un plasma produit par laser. Les cases rectangulaires grises représentent la position cible. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Un filtre ne mesurait que l'uranium atomique, et un autre mesurait l'oxyde d'uranium dans le plasma pendant les impulsions laser. L'équipe a ensuite mesuré la lumière émise par le plasma alors qu'ils augmentaient l'oxygène dans l'environnement, regarder pour voir comment la chimie a changé en présence de plus d'oxygène.
À l'aide d'instantanés précis du plasma (appelés imagerie à déclenchement rapide), Harilal et son équipe ont directement observé comment le monoxyde d'uranium et les atomes d'uranium se déplaçaient dans le LPP au fil du temps et par emplacement. Cela leur a permis de voir comment et où les espèces se sont formées et comment elles ont persisté alors que le panache de plasma s'étendait et se dissipait.
Longueurs d'onde pour la non-prolifération
L'équipe a découvert que des oxydes d'uranium se forment plus loin de la cible, où des températures plus basses favorisent la recombinaison moléculaire. Des oxydes d'uranium se forment également plus tard dans la durée de vie du plasma. Lorsqu'il y a plus d'oxygène, les plasmas ne durent pas aussi longtemps.
Comprendre l'évolution des atomes d'uranium en monoxyde d'uranium en oxydes supérieurs est essentiel pour la modélisation prédictive des événements d'explosion. Précis, des modèles validés expérimentalement signifient une surveillance plus efficace de la non-prolifération nucléaire et une meilleure compréhension globale de la chimie de l'uranium.
En plus d'aider les chercheurs à mieux comprendre la chimie du plasma d'uranium, les techniques laser utilisées dans ce travail sont également en cours de développement pour le terrain, surveillance à distance de la non-prolifération également. Puisque l'ablation laser couplée à la spectroscopie d'émission optique mesure la lumière émise par un plasma, la collecte des données peut se faire à partir d'un coffre-fort, distance de sécurité qui ne nécessite aucune manipulation d'échantillon. Cette technique a des implications pour la criminalistique nucléaire et la surveillance des garanties.
