En una bóveda subterránea encerrada por muros de concreto de seis pies y a la que se accede por una puerta rodante de hormigón y acero de 25 toneladas, Universidad de California, Berkeley, los estudiantes están haciendo bailar a los neutrones con una nueva melodía: una más adecuada para producirisótopos necesarios para la datación geológica, forense policial, diagnóstico y tratamiento hospitalario.
La datación y el análisis forense se basan en una pulverización de neutrones para convertir átomos en isótopos radiactivos, que traicionan la composición química de una sustancia, ayudando a rastrear un arma o revelar la edad de una roca, por ejemplo. Los hospitales usan isótopos producidos por irradiación de neutronespara matar tumores o identificar enfermedades como el cáncer en el cuerpo.
Sin embargo, para estas aplicaciones, solo los reactores nucleares pueden producir una pulverización de neutrones lo suficientemente fuerte, y solo hay dos de estos reactores al oeste del Mississippi.
Como alternativa, un equipo que incluye estudiantes de UC Berkeley ha construido una fuente de neutrones de sobremesa que sería relativamente barata de reproducir y eventualmente portátil y también capaz de producir un rango más reducido de energías de neutrones, minimizando la producción de subproductos radiactivos no deseados.
"Cualquier hospital en el país podría tener esto, podrían construirlo por unos cientos de miles de dólares para fabricar isótopos médicos locales de muy corta duración; podría simplemente llevarlos por el ascensor hasta el paciente", dijo Karlvan Bibber, profesor de ingeniería nuclear de UC Berkeley que supervisa a los estudiantes que perfeccionan el dispositivo ". Tiene aplicación en geocronología, análisis de activación de neutrones para agencias de aplicación de la ley, cuando el FBI quiere determinar la procedencia de una muestra como evidencia, por ejemplo- radiografía de neutrones, para buscar grietas en las partes del avión. Esto es muy compacto, del tamaño de un pequeño horno de convección; creo que es genial, estamos entusiasmados con esto ".
Los investigadores de UC Berkeley ahora han demostrado que el generador de neutrones de alto flujo HFNG puede producir neutrones "boutique", neutrones dentro de un rango muy reducido de energías, que pueden usarse para fechar con precisión rocas de grano fino casi imposibles de fecharpor otras técnicas de radioisótopos. El estudio será publicado esta semana en la revista Avances científicos .
"Esto ampliará la capacidad de fechar materiales de grano fino, como minerales arcillosos asociados con depósitos de mineral, incluido el oro o los flujos de lava", dijo Paul Renne, profesor residente de UC Berkeley en el Departamento de Tierra y PlanetariosCiencia y director del Centro de Geocronología de Berkeley. "Este dispositivo también podría permitirnos observar los objetos más primitivos de nuestro sistema solar, inclusiones ricas en calcio / aluminio que se encuentran en ciertos tipos de meteoritos, que también son de grano muy fino."
Como informan en el nuevo artículo, los investigadores utilizaron el generador de neutrones para determinar la edad de la lava de grano fino de la erupción del Vesubio en el año 79 DC, que enterró la ciudad romana de Pompeya. La fecha que calcularon fue tan precisa como larespuesta dada por un exhaustivo estudio en 1997 que utiliza datación de argón-argón de última generación de muestras irradiadas en un reactor nuclear.
"Está haciendo posible hacer cosas que de otra manera no serían posibles", dijo Renne.
El largo camino hacia la fusión de escritorio
Renne ha estado buscando mejores formas de irradiar muestras de rocas durante décadas y escuchó sobre un posible método del fallecido profesor de ingeniería nuclear de UC Berkeley Stanley Prussin, quien murió en 2015. La técnica implica la fusión de dos átomos de deuterio, que son isótoposde hidrógeno, para producir helio-3 y un neutrón. Estos neutrones tienen una energía, alrededor de 2.5 millones de electronvoltios, que es ideal para irradiar rocas para llevar a cabo la datación con argón-argón, uno de los métodos más precisos que se usan en la actualidad.
La datación argón-argón se basa en el hecho de que aproximadamente uno de cada 1,000 átomos de potasio en la roca es el isótopo radiactivo potasio-40, que se descompone en argón-40 con una vida media de más de mil millones de años. Utilizando neutrones, los científicosconvierta parte del potasio estable, potasio-39, en argón-39, luego mida la proporción de Ar-40 a Ar-39 en la muestra para calcular su edad.
Las muestras de roca ahora deben irradiarse en reactores nucleares, pero los reactores producen neutrones muy enérgicos que pueden eliminar los átomos de argón de la muestra, un problema particular para las rocas con granos microscópicos y también producen elementos radiactivos no deseados.cálculo más difícil
El HFNG evita estos dos problemas, porque los neutrones son una décima parte de la energía de los de un reactor nuclear y tienen un rango más reducido de energías, mientras mantienen un alto flujo de neutrones.
"Eliminar el problema del retroceso, más la reducción de las reacciones interferentes, es enorme", dijo Renne. "Pero los aspectos radiológicos también han mejorado".
"La belleza de esta cosa, nos dimos cuenta, es que no tienes esta cosa arrojando neutrones por todas partes y creando un problema radiológico", agregó van Bibber, quien es el Presidente de Liderazgo e Innovación de Shankar Sastry. "Eresen realidad tiene un número modesto de neutrones, pero al acercar el objetivo a la fuente puntual, lo que importa, el flujo de neutrones en la muestra es muy alto ".
El primer dispositivo para crear neutrones mediante fusión de deuterio-deuterio DD fue diseñado hace 10 años por el equipo de Renne, que incluía al físico de plasma Ka-Ngo Leung, anteriormente del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab. Pero su prototipo languideció hastavan Bibber se interesó en 2012, poco después de su nombramiento como presidente del Departamento de Ingeniería Nuclear de UC Berkeley. Para albergar el generador de fusión, van Bibber se hizo cargo de una bóveda de hormigón utilizada anteriormente para experimentos realizados con el reactor nuclear del campus, que solía sentarsedebajo de lo que ahora es Soda Hall, aunque se encuentra en una gran sala subterránea que forma parte del sótano de Etcheverry Hall, hasta que el reactor cerró en 1987 y fue retirado.
El generador emplea alrededor de 100,000 voltios para acelerar los átomos de deuterio ionizado hacia un cátodo metálico hecho de titanio. El deuterio se acumula en el cátodo en una capa delgada que luego sirve como objetivo para otros iones entrantes. Cuando los deuterones chocan se fusionan, un neutrón esproducido en un haz ancho que irradia la muestra ubicada a aproximadamente un tercio de pulgada de distancia.
A lo largo de los años, van Bibber reclutó a muchos estudiantes universitarios, estudiantes de posgrado y becarios posdoctorales para ayudar a hacer realidad el generador de neutrones. Uno de ellos, el estudiante transferido Max Wallace, un estudiante de último año interesado en forense nuclear, se sorprendió por el acceso que teníaa tal máquina.
"Es raro poder trabajar con radioisótopos como estudiante universitario", dijo el ex ingeniero de software. "Aprendí a hacerlo mucho tarde por la noche, usando guantes y gafas para medir la radiación, tomando muestras, haciendo controles de seguridad yejecutando el software. Realmente, aprendería algo en mi clase de física nuclear y luego vendría aquí para trabajar en una aplicación directa de él ".
Para Mauricio Ayllon Unzueta, un estudiante graduado de cuarto año en ingeniería nuclear, la experiencia que obtuvo al ayudar a perfeccionar el generador de neutrones condujo directamente a un nuevo proyecto en Berkeley Lab: diseñar una variante del HFNG que podría incorporarse alcampo para hacer la activación de neutrones de los suelos para medir el contenido de carbono, una información clave si la sociedad espera secuestrar carbono en los suelos para mitigar el cambio climático.
"A través de tres generaciones de estudiantes graduados, lo convertimos de algo que apenas funcionaba en un generador de neutrones de alto rendimiento", dijo van Bibber.
Daniel Rutte, un investigador postdoctoral en geología de UC Berkeley que trabaja con Renne y el gerente de laboratorio de BGC Tim Becker, desempeñó un papel fundamental en el diseño y la realización del primer experimento de citas, según Renne.
"Daniel fue literalmente el jugador clave al demostrar que esto funcionaría para la geocronología Ar-Ar", dijo.
El objetivo de Rutte es desarrollar nuevos métodos e instrumentos para comprender mejor los procesos de la Tierra, en particular la deformación de la corteza terrestre, que ocurre por un lento arrastre o una rápida ruptura que provoca terremotos.
"Para comprender la deformación de la corteza a largo plazo, fecho antiguas rupturas preservadas en el registro de rocas", dijo Rutte. "El generador de neutrones ayudará al progreso en este campo al expandir la gama de materiales que podemos fechar".
Con la ayuda continua de los estudiantes, van Bibber y Renne esperan poder hacer que el generador de neutrones sea más compacto y producir una pulverización más intensa de neutrones, haciéndolo más útil para la geocronología, así como para otros usos especializados.El Laboratorio de Ciencias Espaciales de la Universidad de Berkeley ya ha mostrado interés en utilizar estos neutrones para probar el hardware electrónico para determinar cómo sobrevivirá en el entorno radiactivo del espacio. Los neutrones de mayor energía podrían usarse para la radiografía de neutrones, que puede complementar la radiografía de rayos X para obtener imágenes delinterior de objetos densos, como metales.
"El propósito siempre había sido probar el sueño de Paul de si podríamos usar un dispositivo muy compacto de bajo voltaje para hacer irradiación de neutrones", dijo van Bibber. "Ahora hemos demostrado que cualquier universidad puede tener una fuente de neutrones"por hacer la técnica de datación argón-argón "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :