美国研究人员利用量子传感器提高核材料X射线测量准确度

美国的研究人员成功利用超灵敏的量子传感器，准确测量了三种放射性元素的X射线排放量，包括铀、钚和镅。这些传感器在马里兰州的国家标准与技术研究院（NIST）设计而成。研究人员表示，这一技术将大大改善核电站和武器设施内核材料的监测。放射性元素通常通过其独特的伽马射线排放来识别，但某些元素会在相同的能量范围内产生X射线，这使得确定具体的核材料及其数量变得更加困难。

在此次项目中，研究人员测量了这三种放射性元素所发出的X射线。他们的研究结果相比之前的结果，将X射线能量的不确定性减少了三分之一至八分之一。NIST物理学家乔纳森·迪恩（Jonathan Dean）表示：“我们的测量支持国际核保障，通过实现核设施中材料的更精确核算。”

量子传感器的工作原理

该团队使用了名为过渡边缘传感器（TES）的设备，这种设备最初在NIST开发。这些传感器的工作原理类似于极其敏感的微型温度计。每个传感器都配备有一层超导薄膜，该薄膜被冷却至接近绝对零度的极低温度。在这一温度下，根据研究人员的说法，薄膜的行为位于无电阻的超导体与具有可测量电阻的普通金属之间的边界。当光子（例如X射线光子）击中传感器时，会产生微量的热量，这使得薄膜的电阻迅速增加。

过渡边缘传感器能够检测击中它的光子数量。

变化的大小对应于光子的能量，这使得团队能够进行高度精确的测量。利用这些传感器，团队测量了铀、钚和镅的X射线，这些X射线的能量范围与伽马射线排放相重叠。同时，去除这种所谓的X射线背景噪声将使得更容易确定核材料中不同同位素的比例。同位素比例可以指示放射性材料的预期用途。例如，铀-235约占所有自然铀的0.7%。核反应堆燃料需要将其浓缩到几个百分点，而武器级铀则可达约90%。

更准确的同位素测量可以加强核材料的核算和国际保障。

技术的应用与挑战

NIST表示，此技术可使核电站的运作变得更加高效。通过铀裂变产生电力涉及几个阶段。在进行下一步操作之前，可能需要评估核燃料的组成。然而，更快的测量可以缩短这些等待时间，从而提高效率并降低成本。不过，这项技术确实存在局限性。TES探测器需要能够将其保持在接近绝对零度的冷却系统，这使得手持版本不切实际。然而，这些探测器可以在任何有足够电力运行其冷却设备的地方运作。

样本也可以运送到配备传感器的实验室。“我们的仪器能够兼容这两种方法，”迪恩在一份新闻稿中总结道。

NIST和洛斯阿拉莫斯国家实验室已经在三个美国能源部实验室安装了TES探测器用于核材料监测。该技术也被应用于包括CERN、SLAC国家加速器实验室、阿根廷国家实验室和布鲁克海文国家实验室等主要研究机构。科学家们目前正致力于提高探测器的准确性，并使其冷却系统更加小型化、简化和降低成本。NIST也开始探索这些探测器在基本粒子研究和太空科学中的应用。

量子传感器在核材料监测的潜力

这项技术的发展标志着量子传感器在核材料监测领域的重大进步。通过减少X射线能量的不确定性，研究人员能够更准确地识别和计算核材料，这对于国际核保障至关重要。随着技术的推进，能够提高核电站的运作效率，降低成本，并加强对核材料的监控。然而，冷却系统的需求限制了其便携性，这可能会影响其在某些环境中的应用。