Em uma abóbada subterrânea cercada por paredes de concreto de seis pés e acessada por uma plataforma rolante, Porta de concreto e aço de 25 toneladas, Universidade da Califórnia, Berkeley, os alunos estão fazendo nêutrons dançar em uma nova melodia:uma mais adequada para a produção de isótopos necessários para datação geológica, polícia forense, diagnóstico e tratamento hospitalar.

A datação e a perícia dependem de um spray de nêutrons para converter átomos em isótopos radioativos, que traem a composição química de uma substância, ajudando a rastrear uma arma ou revelar a idade de uma rocha, por exemplo. Os hospitais usam isótopos produzidos por irradiação de nêutrons para matar tumores ou localizar doenças como o câncer no corpo.

Para esses aplicativos, Contudo, apenas reatores nucleares podem produzir um spray forte o suficiente de nêutrons, e existem apenas dois desses reatores a oeste do Mississippi.

Como uma alternativa, uma equipe que inclui alunos da UC Berkeley construiu uma fonte de nêutrons de mesa que seria relativamente barata de reproduzir e, eventualmente, portátil e também capaz de produzir uma faixa mais estreita de energias de nêutrons, minimizando a produção de subprodutos radioativos indesejados.

"Qualquer hospital do país poderia ter essa coisa, eles poderiam construí-lo por algumas centenas de milhares de dólares para torná-lo local, isótopos médicos de vida muito curta - você pode simplesmente colocá-los no elevador até o paciente, "disse Karl van Bibber, um professor de engenharia nuclear da UC Berkeley que supervisiona os alunos que estão aperfeiçoando o dispositivo. “Tem aplicação em geocronologia, análise de ativação de nêutrons para agências de aplicação da lei - quando o FBI deseja determinar a proveniência de uma amostra como evidência, por exemplo - radiografia de nêutrons, para procurar rachaduras em peças de aeronaves. Isso é muito compacto, o tamanho de um pequeno forno de convecção; Eu acho que é ótimo, estamos entusiasmados com isso. "

Os pesquisadores da UC Berkeley demonstraram agora que o gerador de nêutrons de alto fluxo (HFNG) pode produzir nêutrons "boutique" - nêutrons dentro de uma faixa muito estreita de energias - que podem ser usados ​​para datar com precisão rochas de granulação fina quase impossíveis de datar por outras técnicas de radioisótopos . O estudo será publicado esta semana na revista Avanços da Ciência .

"Isso vai expandir a capacidade de datar materiais de granulação fina, como minerais de argila associados a depósitos de minério, incluindo ouro, ou fluxos de lava, "disse Paul Renne, um professor residente da UC Berkeley no Departamento de Ciências da Terra e Planetárias e diretor do Centro de Geocronologia de Berkeley. "Este dispositivo também pode nos permitir observar os objetos mais primitivos em nosso sistema solar - inclusões ricas em cálcio / alumínio encontradas em certos tipos de meteoritos - que também são de granulação muito fina."

Conforme relatam no novo jornal, os pesquisadores usaram o gerador de nêutrons para determinar a idade da lava de granulação fina da erupção do Vesúvio em 79 d.C. que enterrou a cidade romana de Pompéia. A data que eles calcularam foi tão precisa quanto a resposta dada por um estudo exaustivo em 1997 usando datação argônio-argônio de última geração de amostras irradiadas em um reator nuclear.

"É tornar possível fazer coisas que não seriam possíveis de outra forma, "Renne disse.

O longo caminho para a fusão de desktops

Renne tem procurado por melhores maneiras de irradiar amostras de rocha por décadas e ouviu sobre um possível método do falecido professor de engenharia nuclear da Universidade de Berkeley, Stanley Prussin, que morreu em 2015. A técnica envolve a fusão de dois átomos de deutério, que são isótopos de hidrogênio, para produzir hélio-3 e um nêutron. Esses nêutrons têm uma energia - cerca de 2,5 milhões de elétron-volts - que é ideal para irradiar rochas para conduzir a datação argônio-argônio, um dos métodos mais precisos em uso hoje.

A datação argônio-argônio baseia-se no fato de que cerca de um em cada 1, 000 átomos de potássio na rocha é o isótopo radioativo potássio-40, que decai em argônio-40 com meia-vida de mais de um bilhão de anos. Usando nêutrons, cientistas convertem parte do potássio estável, potássio-39, para argônio-39, em seguida, meça a proporção de Ar-40 para Ar-39 na amostra para calcular sua idade.

Amostras de rocha agora devem ser irradiadas em reatores nucleares, mas os reatores produzem nêutrons muito energéticos que podem tirar átomos de argônio da amostra - um problema particular para rochas com grãos microscópicos - e também produzir elementos radioativos indesejados. Ambos os efeitos tornam o cálculo da idade mais difícil.

O HFNG evita esses dois problemas, porque os nêutrons têm um décimo da energia daqueles de um reator nuclear e têm uma gama mais estreita de energias, enquanto ainda mantém um alto fluxo de nêutrons.

"Eliminando o problema de recuo, além da redução de reações interferentes, é enorme, "Renne disse." Mas os aspectos radiológicos também melhoraram. "

"A beleza desta coisa, nós percebemos, é que você não tem essa coisa vomitando nêutrons por toda parte e criando um problema radiológico, "acrescentou van Bibber, quem é o presidente Shankar Sastry de Liderança e Inovação. "Você está realmente tendo um número modesto de nêutrons, mas ao aproximar o alvo da fonte pontual - o que importa - o fluxo de nêutrons na amostra é muito alto. "

O primeiro dispositivo a criar nêutrons via fusão deutério-deutério (D-D) foi projetado há 10 anos pela equipe de Renne, que incluiu o físico de plasma Ka-Ngo Leung, anteriormente do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Mas o protótipo deles definhou até que van Bibber se interessou em 2012, logo após sua nomeação como presidente do Departamento de Engenharia Nuclear da UC Berkeley. Para alojar o gerador de fusão, van Bibber assumiu um cofre de concreto anteriormente usado para experimentos conduzidos com o reator nuclear do campus, que costumava ficar sob o que agora é o Soda Hall - embora fique em uma grande sala subterrânea que faz parte do porão do Etcheverry Hall - até que o reator fechou em 1987 e foi removido.

O gerador emprega cerca de 100, 000 volts para acelerar átomos de deutério ionizados em direção a um cátodo de metal feito de titânio. O deutério se acumula no cátodo em uma fina camada que serve como alvo para outros íons que chegam. Ao colidir, os deutérios se fundem, um nêutron é produzido em um feixe largo que irradia a amostra localizada a cerca de um terço de uma polegada de distância.

Ao longo dos anos, van Bibber alistou muitos alunos de graduação, alunos de graduação e pós-doutorado para ajudar a tornar o gerador de nêutrons uma realidade. Um deles, estudante transferido Max Wallace, um sênior em ascensão interessado em ciência forense nuclear, ficou surpreso com o acesso que ele teve a tal máquina.

"É raro ser capaz de trabalhar com radioisótopos na graduação, "disse o ex-engenheiro de software." Aprendi a fazer muito tarde da noite, usar luvas e óculos de proteção para medir a radiação, pegando amostras, fazendo verificações de segurança e executando o software. Mesmo, Eu aprenderia algo em minhas aulas de física nuclear e depois viria aqui para trabalhar em uma aplicação direta disso. "

Para Mauricio Ayllon Unzueta, um estudante de graduação do quarto ano em engenharia nuclear, a experiência que ele obteve em ajudar a aperfeiçoar o gerador de nêutrons levou diretamente a um novo projeto no Berkeley Lab:projetar uma variante do HFNG que poderia ser levada a campo para fazer ativação de nêutrons de solos para medir o conteúdo de carbono - uma informação importante se a sociedade espera sequestrar carbono nos solos para mitigar as mudanças climáticas.

"Através de três gerações de alunos de pós-graduação, nós o transformamos de algo que mal funcionava em um gerador de nêutrons de alto desempenho, "disse van Bibber.

Daniel Rutte, um pesquisador de pós-doutorado da UC Berkeley em geologia trabalhando com Renne e o gerente do laboratório BGC Tim Becker, desempenhou um papel fundamental na concepção e condução do primeiro experimento de datação, de acordo com Renne.

"Daniel foi literalmente o jogador-chave na demonstração de que isso funcionaria para a geocronologia Ar-Ar, " ele disse.

O objetivo de Rutte é desenvolver novos métodos e instrumentos para entender melhor os processos da Terra, em particular a deformação da crosta terrestre, que ocorre por fluência lenta ou ruptura rápida, resultando em terremotos.

"Para entender a deformação crustal de longo prazo, Eu dato velhas rupturas preservadas no registro rochoso, "Rutte disse." O gerador de nêutrons ajudará no progresso neste campo, expandindo a gama de materiais que podemos datar. "

Com a ajuda contínua do aluno, van Bibber e Renne esperam ser capazes de tornar o gerador de nêutrons mais compacto e produzir uma pulverização mais intensa de nêutrons, tornando-o mais amplamente útil para geocronologia, bem como para outros usos especializados. Pesquisadores do Laboratório de Ciências Espaciais da UC Berkeley já demonstraram interesse em usar esses nêutrons para testar hardware eletrônico para determinar como ele sobreviverá no ambiente radioativo do espaço. Nêutrons de alta energia podem ser usados ​​para radiografia de nêutrons, que pode complementar a radiografia de raios-X na geração de imagens do interior de objetos densos, como metais.

"O objetivo o tempo todo foi testar o sonho de Paul de saber se poderíamos usar um compacto, dispositivo de baixa voltagem para fazer irradiação de nêutrons, "disse van Bibber." Agora mostramos que qualquer universidade pode ter uma fonte de nêutrons para fazer a técnica de datação argônio-argônio. "