Esta imagem mostra como um compacto, O feixe de fótons preciso (linha vermelha) pode penetrar 40 centímetros de aço (lado esquerdo da imagem). O feixe pode ser útil para detectar e identificar materiais nucleares, entre outros usos. Crédito:Berkeley Lab, Universidade de Michigan
Um novo, técnica compacta para produzir feixes de fótons de alta energia (partículas de luz) com energia e direção precisamente controladas poderiam "ver" através de aço espesso e concreto para detectar e identificar mais facilmente materiais nucleares escondidos ou contrabandeados, de acordo com um relatório liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab).
Esses fótons são semelhantes aos raios-X, mas têm energia de fótons ainda mais alta do que os raios-X convencionais, o que os permite penetrar em materiais espessos.
As técnicas anteriores tiveram amplas extensões de energia e ângulo que limitaram sua eficácia. Novos desenvolvimentos podem trazer recursos de alta precisão, de instalações do tamanho de edifícios a plataformas móveis ou do tamanho de salas que permitem uma gama de usos de segurança e não proliferação nuclear de alta prioridade.
Essa precisão pode aumentar simultaneamente a resolução, ao mesmo tempo que produz uma dose de radiação mais baixa para muitos usos dentro e além da segurança nuclear, tal como:
"Este relatório está focado em que tipo de fonte é necessária para ter o maior impacto, em vez do que foi desenvolvido até agora, "disse John Valentine, Gerente de programa do Berkeley Lab para Segurança Nacional e Interna. "Ele traça o roteiro para a realização de aplicativos." O relatório foi preparado para a Administração Nacional de Segurança Nuclear (NNSA), uma agência DOE responsável pelas aplicações da ciência nuclear com foco na segurança nacional.
“Uma das principais aplicações desse tipo de tecnologia é a detecção de material nuclear oculto - por exemplo, escondido em contêineres de carga ou um veículo - mas tem amplo uso para detectar outros tipos de contrabando, "disse Cameron Geddes, um cientista da equipe do Laboratório Berkeley Laboratory Laser Accelerator (BELLA) Center. Geddes liderou a preparação do relatório com Bernhard Ludewigt, um cientista da equipe do Laboratório Fusion Science e Ion Beam Technology Group, integrante da Divisão de Tecnologia e Física Aplicada de Aceleradores (ATAP).
Uma fonte de fótons “monoenergética” poderia ser usada para verificar o conteúdo dos barris de armazenamento de combustível do reator nuclear (topo). O feixe pode ser padronizado em uma varredura “paralela” (canto inferior esquerdo) ou uma varredura em “leque” (canto inferior direito). Crédito:Berkeley Lab, Universidade de Michigan
Geddes e Ludewigt trabalharam com uma equipe de cientistas do Noroeste do Pacífico, Idaho, e laboratórios nacionais Lawrence Livermore, bem como a Universidade de Michigan, para conduzir simulações detalhadas que mostrassem as capacidades aprimoradas que as novas técnicas tornariam possível.
"As tecnologias existentes comumente usam as chamadas fontes 'Bremsstrahlung' para detectar e identificar materiais nucleares, ", disse Ludewigt. Este tipo de fonte de radiação não é bem direcionada e fornece uma propagação em forma de leque sobre uma ampla faixa de energia da radiação. Essas características podem limitar as capacidades de imagem e exigir doses mais altas de radiação.
Conhecida como uma "fonte de fótons monoenergética, "a nova tecnologia teria um feixe fortemente colimado - o que significa que seus fótons viajariam quase paralelos um ao outro em um caminho estreito. Esses fótons também teriam uma faixa de energia estreita e precisamente sintonizável. Essas propriedades reduziriam a emissão de radiação necessária durante as varreduras comparadas a outras tecnologias em uso hoje. Eles também reduziriam o efeito de sinais indesejados, como o ruído de fótons espalhados, que podem interferir na detecção de materiais nucleares.
Ao procurar por materiais nucleares ocultos, Ludewigt disse, "Você não quer ter que abrir todos os recipientes que contenham algo denso." A capacidade de verificar rapidamente objetos grandes, como contêineres de carga, também é fundamental, à medida que milhões de contêineres de carga entram nos EUA todos os anos.
O feixe da técnica de varredura também deve ser seguro para humanos que podem entrar inadvertidamente em contato com ele, Geddes acrescentou. "Isso significa que precisamos realizar a detecção com alta especificidade enquanto mantemos a dose baixa, para que se alguém estiver se escondendo no contêiner de carga, a varredura não irá prejudicá-lo, " ele disse.
Simulações mostram, por exemplo, que a varredura em dois intervalos separados de energia permitiria aos operadores identificar o tipo geral de materiais que estão presentes. Se um objeto for descoberto nesta varredura inicial que é tão espesso ou denso que requer uma varredura mais profunda para explorar seu conteúdo, então, ajustando a energia para valores específicos, a mesma fonte de fótons pode ser usada para identificar se um item é material nuclear.
Com muito controle sobre a energia do feixe, a nova fonte também poderia identificar o elemento exato - incluindo isótopos de elementos, que têm um peso atômico diferente e podem ser importantes na avaliação de ameaças à segurança nuclear.
Este diagrama mostra como um feixe de fótons de alta energia penetra dentro de um objeto desconhecido (cubo) para detectar urânio altamente enriquecido. Crédito:Berkeley Lab, Laboratório Nacional de Idaho
O relatório também observa que a redução da dose de radiação do feixe e o aumento da especificidade na detecção de materiais podem ter um forte impacto em outros campos que usam fótons de alta energia, incluindo usos médicos e industriais. Essa fonte iria, por exemplo, melhorar a análise industrial não destrutiva - a capacidade de olhar para dentro do maquinário sem a necessidade de desmontagem.
Embora os aceleradores de partículas do tamanho de um edifício tenham sido capazes de fazer com precisão, feixes de fótons monoenergéticos, a nova tecnologia pode reduzir esses sistemas, tornando-os mais acessíveis e compactos para permitir um uso amplo.
"Em vez de trazer os aplicativos para a máquina, esperamos trazer a máquina para as aplicações, se isso significa escanear a carga, verificar o cumprimento do tratado, ou muitos outros usos, "disse Wim Leemans, diretor do Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center e da divisão ATAP do laboratório.
O Berkeley Lab está entre os líderes no esforço mundial para desenvolver novos, tecnologias compactas de aceleração em seu centro BELLA. BELLA usa lasers para gerar um estado superquente da matéria conhecido como plasma, e para gerar grupos de elétrons e acelerá-los rapidamente para altas energias em uma distância muito curta.
Experimentos já mostraram que os aceleradores baseados em plasma da BELLA podem produzir os tipos de feixes de elétrons necessários para realizar um feixe de fótons controlado de alta energia que atenderia aos requisitos descritos no relatório.
Geddes está liderando um projeto separado do Centro BELLA para demonstrar uma fonte monoenergética compacta. Os feixes seriam gerados pelo espalhamento de um feixe de laser separado do feixe de elétrons de alta energia de um acelerador de plasma para produzir feixes de fótons pulsados com uma faixa estreita de energias e ângulos controlados, um processo denominado espalhamento Thomson. O novo relatório detalha como esses feixes podem melhorar a identificação e a qualidade da imagem de materiais nucleares.
“Estamos testando novas tecnologias que podem reduzir as enormes escalas e os custos dos aceleradores de próxima geração, permitindo-nos explorar novos domínios da física, "Leemans disse. Estes incluem colisões de partículas de alta energia de próxima geração, e lasers de elétrons livres que produzem os raios X mais brilhantes do mundo. Tudo isso exige taxas de pulsação mais rápidas para os lasers que impulsionam as novas fontes, e P&D também está em andamento para taxas de pulso que permitiriam as técnicas descritas no relatório.
