美國研究人員利用量子傳感器提高核材料 X 射線測量準確度

美國的研究人員成功利用超靈敏的量子傳感器，準確測量了三種放射性元素的 X 射線排放量，包括鈾、鈽和鈽。這些傳感器在馬裏蘭州的國家標準與技術研究院（NIST）設計而成。研究人員表示，這一技術將大大改善核電廠和武器設施內核材料的監測。放射性元素通常通過其獨特的伽馬射線排放來識別，但某些元素會在相同的能量範圍內產生 X 射線，這使得確定具體的核材料及其數量變得更加困難。

在此次項目中，研究人員測量了這三種放射性元素所發出的 X 射線。他們的研究結果相比之前的結果，將 X 射線能量的不確定性減少了三分之一至八分之一。NIST 物理學家喬納森·迪恩（Jonathan Dean）表示：「我們的測量支持國際核保障，通過實現核設施中材料的更精確核算。」

量子傳感器的工作原理

該團隊使用了名為過渡邊緣傳感器（TES）的設備，這種設備最初在 NIST 開發。這些傳感器的工作原理類似於極其敏感的微型溫度計。每個傳感器都配備有一層超導薄膜，該薄膜被冷卻至接近絕對零度的極低溫度。在這一溫度下，根據研究人員的說法，薄膜的行為位於無電阻的超導體與具有可測量電阻的普通金屬之間的邊界。當光子（例如 X 射線光子）擊中傳感器時，會產生微量的熱量，這使得薄膜的電阻迅速增加。

過渡邊緣傳感器能夠檢測擊中它的光子數量。

變化的大小對應於光子的能量，這使得團隊能夠進行高度精確的測量。利用這些傳感器，團隊測量了鈾、鈽和鈽的 X 射線，這些 X 射線的能量範圍與伽馬射線排放相重疊。同時，去除這種所謂的 X 射線背景噪聲將使得更容易確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預期用途。例如，鈾-235 約佔所有自然鈾的 0.7%。核反應堆燃料需要將其濃縮到幾個百分比，而武器級鈾則可達約 90%。

更準確的同位素測量可以加強核材料的核算和國際保障。

技術的應用與挑戰

NIST 表示，此技術可使核電廠的運作變得更加高效。通過鈾裂變產生電力涉及幾個階段。在進行下一步操作之前，可能需要評估核燃料的組成。然而，更快的測量可以縮短這些等待時間，從而提高效率並降低成本。不過，這項技術確實存在侷限性。TES 探測器需要能夠將其保持在接近絕對零度的冷卻系統，這使得手持版本不切實際。然而，這些探測器可以在任何有足夠電力運行其冷卻設備的地方運作。

樣本也可以運送到配備傳感器的實驗室。「我們的儀器能夠兼容這兩種方法，」迪恩在一份新聞稿中總結道。

NIST 和洛斯阿拉莫斯國家實驗室已經在三個美國能源部實驗室安裝了 TES 探測器用於核材料監測。該技術也被應用於包括 CERN、SLAC 國家加速器實驗室、阿根廷國家實驗室和布魯克海文國家實驗室等主要研究機構。科學家們目前正致力於提高探測器的準確性，並使其冷卻系統更加小型化、簡化和降低成本。NIST 也開始探索這些探測器在基本粒子研究和太空科學中的應用。

量子傳感器在核材料監測的潛力

這項技術的發展標誌著量子傳感器在核材料監測領域的重大進步。通過減少 X 射線能量的不確定性，研究人員能夠更準確地識別和計算核材料，這對於國際核保障至關重要。隨著技術的推進，能夠提高核電廠的運作效率，降低成本，並加強對核材料的監控。然而，冷卻系統的需求限制了其便攜性，這可能會影響其在某些環境中的應用。