นักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาใช้เซ็นเซอร์ควอนตัมเพื่อเพิ่มความแม่นยำในการวัดรังสีเอกซ์ของวัสดุนิวเคลียร์

นักวิจัยจากสหรัฐอเมริกาได้ประสบความสำเร็จในการใช้เซ็นเซอร์ควอนตัมที่มีความไวสูงสุดในการวัดปริมาณการปล่อยรังสีเอกซ์ของสามธาตุกัมมันตรังสี รวมถึงยูเรเนียม พลูโทเนียม และพลูโทเนียม เซ็นเซอร์เหล่านี้ได้รับการออกแบบในสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ที่มรีแลนด์ นักวิจัยกล่าวว่า เทคโนโลยีนี้จะเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจสอบวัสดุนิวเคลียร์ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และสถานที่อาวุธ ธาตุกัมมันตรังสีมักจะถูกระบุได้จากการปล่อยรังสีแกมมาเฉพาะตัวของมัน แต่บางธาตุจะปล่อยรังสีเอกซ์ในช่วงพลังงานเดียวกัน ซึ่งทำให้การระบุวัสดุนิวเคลียร์ที่แน่นอนและปริมาณของมันยากขึ้น

ในโครงการนี้ นักวิจัยได้วัดรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจากสามธาตุกัมมันตรังสี เปรียบเทียบกับผลการวัดก่อนหน้า พบว่าความไม่แน่นอนในพลังงานรังสีเอกซ์ลดลงถึงหนึ่งในสามถึงหนึ่งในแปด NIST นักฟิสิกส์โจนาธาน เดน (Jonathan Dean) กล่าวว่า "การวัดของเราสนับสนุนการรักษาความปลอดภัยนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ โดยการให้การคำนวณวัสดุในสถานที่นิวเคลียร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น"

หลักการทำงานของเซ็นเซอร์ควอนตัม

ทีมวิจัยได้ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าเซ็นเซอร์ขอบการเปลี่ยนสถานะ (TES) ซึ่งถูกพัฒนาใน NIST ในตอนแรก แนวคิดการทำงานของเซ็นเซอร์เหล่านี้คล้ายกับเทอร์โมมิเตอร์ขนาดเล็กที่มีความไวสูงมาก แต่ละเซ็นเซอร์มีชั้นฟิล์มซุปเปอร์คอนดักเตอร์ซึ่งถูกระบายความร้อนให้เย็นลงถึงอุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ที่สุด ที่อุณหภูมินี้ ตามที่นักวิจัยกล่าว พฤติกรรมของฟิล์มอยู่ระหว่างตัวนำซุปเปอร์คอนดักเตอร์ที่ไม่มีความต้านทานกับโลหะธรรมดาที่มีความต้านทานที่สามารถวัดได้ เมื่อโฟตอน (เช่น โฟตอนรังสีเอกซ์) กระทบเซ็นเซอร์ จะสร้างความร้อนในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งทำให้ความต้านทานของฟิล์มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

เซ็นเซอร์ขอบการเปลี่ยนสถานะสามารถตรวจจับจำนวนโฟตอนที่กระทบมัน

ขนาดของการเปลี่ยนแปลงตรงกับพลังงานของโฟตอน ซึ่งทำให้ทีมสามารถทำการวัดที่มีความแม่นยำสูง ด้วยเซ็นเซอร์เหล่านี้ ทีมวัดรังสีเอกซ์ของยูเรเนียม พลูโทเนียม และพลูโทเนียม รังสีเอกซ์เหล่านี้มีช่วงพลังงานที่ทับซ้อนกับการปล่อยรังสีแกมมา ในขณะเดียวกัน การกำจัดความรบกวนพื้นหลังรังสีเอกซ์นี้จะทำให้ง่ายต่อการระบุสัดส่วนของธาตุไอโซโทปในวัสดุนิวเคลียร์ สัดส่วนของไอโซโทปสามารถบ่งชี้ถึงวัตถุประสงค์ในการใช้วัสดุกัมมันตรังสี ยิ่งไปกว่านั้น ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238 และยูเรเนียม-239 ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238 และยูเรเนียม-239 ยูเรเนียม-235 จะมีสัดส่วนประมาณ 0.7% ของยูเรเนียมทั้งหมดในธรรมชาติ สำหรับเชื้อเพลิงในระบบปฏิกิริยานิวเคลียร์ จะต้องมีการเพิ่มความเข้มข้นให้เป็นสัดส่วนหลายเปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ยูเรเนียมในระดับอาวุธสามารถมีความเข้มข้นถึง 90% สัดส่วนของไอโซโทปสามารถบ่งชี้ถึงวัตถุประสงค์ในการใช้วัสดุกัมมันตรังสี

การวัดไอโซโทปที่แม่นยำมากขึ้นสามารถเพิ่มความมั่นใจในการคำนวณวัสดุนิวเคลียร์และการรักษาความปลอดภัยระหว่างประเทศ

การใช้งานและความท้าทายของเทคโนโลยี

NIST กล่าวว่า เทคโนโลยีนี้สามารถทำให้การทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีประสิทธิภาพมากขึ้น การผลิตพลังงานจากการแตกตัวยูเรเนียม เกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอน ในการดำเนินการต่อไป อาจต้องประเมินส่วนผสมของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แต่การวัดที่รวดเร็วสามารถลดเวลารอในขั้นตอนเหล่านี้ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีข้อจำกัด TES ต้องการระบบระบายความร้อนที่สามารถรักษาให้อุณหภูมิใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งทำให้เวอร์ชันพกพาไม่สามารถทำได้ แต่เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถทำงานได้ในทุกที่ที่มีพลังงานเพียงพอในการใช้ระบบระบายความร้อน

ตัวอย่างสามารถถูกส่งไปยังห้องปฏิบัติการที่มีเซ็นเซอร์ "เครื่องมือของเราสามารถรองรับทั้งสองวิธี" เดนได้สรุปในการเผยแพร่ข่าว

NIST และห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอส อลามอส ได้ติดตั้งเซ็นเซอร์ TES ในสามห้องปฏิบัติการของกระทรวงพลังงานสหรัฐ เพื่อการตรวจสอบวัสดุนิวเคลียร์ เทคโนโลยีนี้ยังถูกนำไปใช้ในหลายห้องปฏิบัติการใหญ่ เช่น CERN SLAC ห้องปฏิบัติการแห่งชาติสหรัฐ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์เจนตินา และห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรุคเฮเวน นักวิจัยกำลังพยายามเพิ่มความแม่นยำของเซ็นเซอร์ และทำให้ระบบระบายความร้อนของมันมีขนาดเล็กลง ง่ายต่อการใช้ และลดต้นทุน NIST เริ่มสำรวจการใช้เซ็นเซอร์เหล่านี้ในการวิจัยพื้นฐานของอนุภาค และวิทยาศาสตร์อวกาศ

ศักยภาพของเซ็นเซอร์ควอนตัมในการตรวจสอบวัสดุนิวเคลียร์

การพัฒนาของเทคโนโลยีนี้เป็นก้าวสำคัญของเซ็นเซอร์ควอนตัมในการตรวจสอบวัสดุนิวเคลียร์ โดยการลดความไม่แน่นอนในพลังงานรังสีเอกซ์ นักวิจัยสามารถระบุและคำนวณวัสดุนิวเคลียร์ได้อย่างแม่นยำ นั่นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการรักษาความปลอดภัยนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ เมื่อเทคโนโลยีนี้พัฒนาต่อไป นักวิจัยสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ลดต้นทุน และเพิ่มการควบคุมวัสดุนิวเคลียร์ แต่ความต้องการของระบบระบายความร้อนจำกัดความสามารถในการพกพา ซึ่งอาจมีผลกระทบต่อการใช้งานในบางสภาพแวดล้อม