- 研究者たちは量子センサーを用いて3種類の放射性元素のX線放出量を正確に測定した。
- 測定結果は、X線エネルギーの不確実性を3分の1から8分の1に減少させた。
- 遷移端センサーは光子数を検出でき、高精度の測定を実現する。
- この技術は原子力発電所の運用効率を向上させる可能性があるが、冷却システムに制約がある。
米国の研究者たちは、超高感度な量子センサーを活用し、ウランやプルトニウムを含む3種類の放射性元素のX線放出量を正確に測定することに成功した。これらのセンサーは、メリーランド州の国立標準技術研究所（NIST）で開発された。研究者は、この技術が原子力発電所や兵器施設内での核物質の監視を大幅に改善すると述べている。放射性元素は通常、その特有のガンマ線放出によって識別されるが、特定の元素はX線を同じエネルギー範囲で発生させるため、特定の核物質とその量を特定することがより難しくなる。
今回のプロジェクトでは、研究者たちはこれら3種類の放射性元素から放出されるX線を測定した。彼らの研究結果は、以前の結果と比較して、X線エネルギーの不確実性を3分の1から8分の1に減少させた。NISTの物理学者ジョナサン・ディーン（Jonathan Dean）は、「私たちの測定は、国際的な核の保障措置を支援し、核施設内の材料のより正確な会計処理を可能にする」と語った。
量子センサーの動作原理
このチームは、NISTで最初に開発された遷移端センサー（TES）と呼ばれるデバイスを使用した。これらのセンサーは、非常に感度の高いミニチュア温度計のように機能する。各センサーは、超伝導薄膜層を備えており、これは絶対零度に非常に近い低温に冷却される。この温度では、研究者によると、薄膜は抵抗のない超伝導体と測定可能な抵抗を持つ通常の金属の間の境界に位置する。光子（例えばX線光子）がセンサーに衝突すると、微量の熱が発生し、薄膜の抵抗が急速に増加する。
遷移端センサーは、衝突する光子の数を検出することができる。
変化の大きさは光子のエネルギーに対応しており、これによりチームは高精度の測定を行うことができる。これらのセンサーを利用して、チームはウラン、プルトニウム、およびプルトニウムのX線を測定した。これらのX線のエネルギー範囲は、ガンマ線放出と重複している。同時に、このいわゆるX線バックグラウンドノイズを除去することで、核物質中の異なる同位体の割合を特定することがより容易になる。同位体の割合は、放射性物質の予想される用途を示す。例えば、ウラン-235は約0.7％の割合で全ての天然ウランに存在する。原子力発電所の燃料にはこれを数パーセントに濃縮する必要があるが、兵器級のウランは約90％に達する。
より正確な同位体の測定は、核物質の会計処理と国際的な保障措置を強化する。
技術の応用と課題
NISTによると、この技術は原子力発電所の運用をより効率的にすることができる。ウランの核分裂によって電力を生成する過程にはいくつかの段階があり、次の操作に進む前に核燃料の組成を評価する必要があるかもしれない。しかし、より迅速な測定はこれらの待機時間を短縮し、効率を向上させ、コストを削減する。ただし、この技術には確かに限界がある。TES検出器は、絶対零度に近い温度に保つことができる冷却システムが必要であり、これがハンドヘルドバージョンを非現実的なものにしている。しかし、これらの検出器は、冷却装置を稼働させるのに十分な電力が供給される場所であればどこでも動作することができる。
サンプルもセンサーが設置された研究室に輸送することができる。「私たちの機器はこの両方の方法をサポートすることができる」とディーンはプレスリリースでまとめている。
NISTとロスアラモス国立研究所は、米エネルギー省の3つの研究所にTES検出器を設置し、核物質の監視に使用している。この技術は、CERN、SLAC国立加速器研究所、アルゼンチンの国立研究所、ブルックヘブン国立研究所などの主要な研究機関でも応用されている。科学者たちは現在、検出器の精度を向上させ、その冷却システムをより小型化し、簡素化し、コストを削減することに注力している。NISTはまた、これらの検出器を素粒子物理学の研究や宇宙科学に応用するための探索も開始している。
量子センサーの核物質監視における可能性
この技術の発展は、量子センサーの核物質監視分野における重要な進歩を象徴している。X線エネルギーの不確実性を減少させることで、研究者たちは核物質をより正確に識別し、計算することができ、これは国際的な核の保障措置にとって非常に重要である。技術の進歩により、原子力発電所の運用効率が向上し、コストが削減され、核物質の監視が強化される。しかし、冷却システムへの要求は、その携帯性に制約を与え、特定の環境での応用に影響を与える可能性がある。