Квантовые датчики снизили неопределённость рентгеновских измерений в 8 раз

В США учёные впервые точно измерили рентгеновское излучение трёх радиоактивных элементов — урана, плутония и нептуния — с помощью ультрачувствительных квантовых датчиков.

Датчики созданы в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Мэриленде. По словам исследователей, их применение может существенно повысить точность мониторинга ядерных материалов на атомных электростанциях и военных объектах.

Радиоактивные элементы традиционно идентифицируются по характерному гамма-излучению. Однако некоторые из них испускают рентгеновские фотоны в том же энергетическом диапазоне, что создаёт перекрытие сигналов и затрудняет однозначное определение состава и количества ядерного материала.

В рамках проекта команда измерила рентгеновское излучение указанных трёх элементов. Полученные результаты позволили снизить неопределённость энергии рентгеновских фотонов в 1,3–8 раз по сравнению с предыдущими измерениями. «Наши измерения поддерживают международные гарантии ядерной безопасности, обеспечивая более точный учёт материалов на ядерных объектах», — заявил физик NIST Джонатан Дин, доктор философии.

Минимальные изменения энергии

В работе использовались переходно-краевые сенсоры (TES), изначально разработанные в NIST. Принцип их действия основан на сверхчувствительном термометрическом эффекте: каждый сенсор содержит сверхпроводящую плёнку, охлаждённую до долей градуса выше абсолютного нуля.

При такой температуре плёнка находится на границе между состоянием сверхпроводника без электрического сопротивления и обычного металла с измеримым сопротивлением. При попадании отдельного рентгеновского фотона на сенсор выделяется ничтожно малое количество тепла, вызывающее быстрый рост электрического сопротивления плёнки.

Величина этого роста пропорциональна энергии поглощённого фотона, что позволяет проводить чрезвычайно точные энергетические измерения. С помощью данных сенсоров исследователи зафиксировали рентгеновское излучение урана, плутония и нептуния в энергетических диапазонах, совпадающих с гамма-спектрами.

Устранение так называемого рентгеновского фонового шума может облегчить определение соотношений различных изотопов в ядерных материалах. Эти соотношения позволяют судить о целевом назначении радиоактивного вещества.

Например, изотоп урана-235 составляет около 0,7 % в природном уране. Для топлива атомных реакторов его концентрация должна быть повышена до нескольких процентов, тогда как в оружейном уране она достигает примерно 90 %. Более точные измерения изотопных соотношений усиливают систему учёта ядерных материалов и международные гарантии ядерной безопасности.

Ускорение проверки ядерного топлива

NIST отмечает, что новая технология способна значительно повысить эффективность работы атомных электростанций. Производство электроэнергии за счёт деления урана включает несколько последовательных этапов, на каждом из которых может потребоваться анализ состава топлива перед переходом к следующему шагу.

Более быстрые измерения сокращают время ожидания, потенциально повышая общую эффективность и снижая эксплуатационные издержки. Однако у технологии есть ограничение: детекторы TES требуют сложных холодильных систем, способных поддерживать рабочую температуру вблизи абсолютного нуля, что делает создание портативных версий непрактичным.

В то же время детекторы могут функционировать в любом месте, где имеется достаточная электрическая мощность для работы охладительного оборудования. Также возможна транспортировка образцов в лаборатории, оснащённые такими сенсорами. «Наши приборы совместимы с обоими подходами», — заключил Дин в пресс-релизе NIST.

NIST и Национальная лаборатория Лос-Аламос уже установили детекторы TES на трёх лабораториях Министерства энергетики США для мониторинга ядерных материалов. Технология также применяется в ведущих научных центрах, включая ЦЕРН, Национальную ускорительную лабораторию SLAC, Национальную лабораторию Аргона и Национальную лабораторию Брукхейвена.

Учёные продолжают работу по повышению точности детекторов, а также по миниатюризации, упрощению и удешевлению их холодильных систем. NIST также начал изучать возможность применения этих сенсоров в фундаментальных исследованиях элементарных частиц и космической науке.