Om inte radongas upptäcks vid en heminspektion, de flesta människor förblir lyckligt omedvetna om att stenar som granit, metallmalmer, och vissa jordar innehåller naturligt förekommande strålningskällor. I de flesta fallen, låga nivåer av strålning är inget hälsoproblem. Men vissa forskare och ingenjörer är oroade över till och med spårnivåer av strålning, som kan orsaka förödelse för känslig utrustning. Halvledarindustrin, till exempel, spenderar miljarder varje år för att hämta och "skrubba" ultraspårnivåer av radioaktivt material från mikrochips, transistorer och känsliga sensorer.

Nu har kemister vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory utvecklat en enkel och pålitlig metod som lovar att omvandla hur ultraspårämnen separeras och detekteras. Låga nivåer av besvärliga naturligt förekommande radioaktiva ämnen som uran- och toriumatomer är ofta gömda bland värdefulla metaller som guld och koppar. Det har varit ovanligt svårt, opraktisk, eller till och med omöjligt, i vissa fall, att reta ut hur mycket som finns i prover av malm som bryts över hela världen.

Ändå är inköp av material med mycket låga nivåer av naturlig strålning avgörande för vissa typer av känsliga instrument och detektorer, som de som söker efter bevis på för närvarande oupptäckta partiklar som många fysiker tror faktiskt utgör större delen av universum.

"Vi pressar verkligen kuvertet vid upptäckt, ", sa kemisten Khadouja Harouaka. "Vi vill mäta mycket låga nivåer av torium och uran i komponenter som går in i några av de mest känsliga detektorerna i världen. Det är särskilt svårt att mäta låga halter av thorium och uran i ädelmetaller som guldet som går in i de elektriska komponenterna i dessa detektorer. Med denna nya teknik, vi kan övervinna den utmaningen och uppnå detektionsgränser så låga som 10 delar per biljon i guld."

Det är som att försöka hitta en fyrklöver på cirka 100 tusen tunnland klöver – ett område större än New Orleans.

Kolliderande världar av partiklar

Forskarna lokaliserar sina utomordentligt sällsynta "fyrklöver"-atomer från det enorma fältet av vanliga atomer genom att skicka sina prover genom en serie isoleringskammare. Dessa kammare filtrerar först och kolliderar sedan de sällsynta atomerna med enkelt syre, skapa en "taggad" molekyl med en unik molekylvikt som sedan kan separeras genom sin storlek och laddning.

Effekten är som att hitta ett sätt att knyta en heliumballong till varje mål torium- eller uranatom så att den flyter över havet av guldprov och kan räknas. I detta fall, den sofistikerade räknaren är en masspektrometer. Forskningen är detaljerad i ett nyligen utgåva av Journal of Analytical Atomic Spectroscopy.

Den centrala innovationen är kollisionscellkammaren, där laddade atomer av torium och uran reagerar med syre, öka sin molekylvikt och låta dem skilja sig från andra överlappande signaler som kan dölja deras närvaro.

"Jag hade ett aha -ögonblick, "sa Greg Eiden, den ursprungliga PNNL-uppfinnaren av den patenterade kollisionscellen, som används för att utföra dessa reaktioner, därigenom minskar oönskade störningar i instrumentavläsningen med en faktor på en miljon. "Det var den här mirakelkemin som gör dig av med de dåliga sakerna du inte vill ha i ditt prov så att du kan se vad du vill se."

I den aktuella studien, Harouaka och hennes mentor Isaac Arnquist utnyttjade Eidens arbete för att reta bort det försvinnande få antalet radioaktiva atomer som ändå kan förstöra känslig elektronisk detekteringsutrustning.

Bland andra användningsområden, innovationen kan tillåta kemister, ledd av seniorkemisten Eric Hoppe och hans team på PNNL, för att ytterligare finslipa kemin som producerar världens renaste elektroformade koppar. Kopparen utgör en nyckelkomponent i känsliga fysikdetektorer, inklusive de som används för verifiering av internationella kärnkraftsavtal.

Neutrino lyssningstur

Stanford-fysikern Giorgio Gratta hjälper till att leda en global strävan att fånga bevis för universums grundläggande byggstenar. nEXO-experimentet, nu i planeringsstadiet, tänjer på detektionsgränserna för bevis på dessa svårfångade partiklar, kallas Majorana Fermions. Signalerna de söker kommer från ytterst sällsynta händelser. För att upptäcka en sådan händelse, experimenten kräver utsökt känsliga detektorer som är fria från ströstrålningspingar som introduceras genom materialen som utgör detektorn. Det inkluderar metallerna i elektroniken som krävs för att registrera de ytterst sällsynta händelser som utlöser upptäckt.

"PNNL är en global ledare inom detektering av ultraspårstrålning, ", sa Gratta. "Deras unika blandning av innovation och tillämpning ger ett viktigt bidrag som möjliggör känsliga experiment som nEXO."

Fysikern Steve Elliott från Los Alamos National Laboratory betonade hur långt forskarna måste gå för att säkerställa en noggrant ren miljö för upptäckt av sällsynta partiklar.

"I experimentella program där även mänskliga fingeravtryck är för radioaktiva och måste undvikas, tekniker för att mäta ultralåga nivåer av radioaktiva föroreningar är avgörande, " han sa, och tillägger att denna metod kan ge ett viktigt sätt att hämta material för en annan av nästa generations sällsynta neutrino-händelsedetektorer, kallas LEGEND, planeras för distribution i en underjordisk plats i Europa.

Rengöring av halvledare och kvantdatorer

Halvledare, de grundläggande byggstenarna i modern elektronik, inklusive integrerade kretsar, mikrochips, transistorer, sensorer och kvantdatorer är också känsliga för närvaron av strålande strålning. Och innovationscykeln kräver att varje generation packas mer och mer in i allt tunnare mikrochips.

"I takt med att arkitekturen blir mindre och mindre, strålningskontamination är ett allt större problem som tillverkare har arbetat kring genom att ändra arkitekturen inuti chipsen, "sa Hoppe." Men det är bara så långt du kan gå med det, och du börjar verkligen bli begränsad av renheten i några av dessa material. Branschen har satt upp mål för sig själva som den just nu inte kan uppnå, så att ha en mätteknik som denna kan göra några av dessa mål möjliga."

Mer allmänt, Eiden tillade, "i det periodiska systemets stora värld finns det förmodligen tillämpningar för alla grundämnen som du bryr dig om. Och vad Eric, Khadouja och Isaac går efter här och analyserar eventuell spårförorening i något ultrarent material. "