En ny, kompakt teknik för att producera strålar av högenergifoton (ljuspartiklar) med exakt kontrollerad energi och riktning skulle kunna "se" genom tjockt stål och betong för att lättare upptäcka och identifiera dolda eller smugglade kärnmaterial, enligt en rapport som leds av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Dessa fotoner liknar röntgenstrålar men har ännu högre fotonenergi än konventionella röntgenstrålar, vilket låter dem tränga igenom tjocka material.

Tidigare tekniker har haft breda spridningar i energi och vinkel som begränsade deras effektivitet. Ny utveckling kan ge mycket exakta möjligheter, byggnadsstora anläggningar till rumstora eller mobila plattformar som möjliggör en rad högprioriterade kärntekniska icke-spridnings- och säkerhetsanvändningar.

Denna precision kan samtidigt öka upplösningen samtidigt som den ger en lägre strålningsdos för många användningsområden i och utanför kärnsäkerhet, Till exempel:

• Upptäcker smittämnen eller sprängämnen.
• Verifiera innehållet i fat som lagrar använt kärnreaktorbränsle.
• Övervakning av överensstämmelse med kärntekniska fördrag.
• Upptäcker en dold kärnkraftsanordning.
• Karakteriserar faror efter en kärnkraftsolycka.
• Industriell kvalitetskontroll-och potentiellt medicinsk röntgen.

"Denna rapport är inriktad på vilken typ av källa som behövs för att få störst effekt snarare än vad som har utvecklats hittills, "sa John Valentine, Berkeley Labs programchef för National &Homeland Security. "Den beskriver färdplanen för att förverkliga applikationer." Rapporten utarbetades för National Nuclear Security Administration (NNSA), en DOE-byrå med ansvar för nationella säkerhetsfokuserade tillämpningar av kärnvetenskap.

"En viktig tillämpning för denna typ av teknik är upptäckt av dolt kärnmaterial - t.ex. gömd i lastcontainrar eller ett fordon - men det har stor användning för att upptäcka andra typer av smuggelmedel, "sa Cameron Geddes, en personalvetare i Labs Berkeley Laboratory Laser Accelerator (BELLA) Center. Geddes ledde utarbetandet av rapporten med Bernhard Ludewigt, en personalvetare i Lab's Fusion Science and Ion Beam Technology Group, del av Accelerator Technology and Applied Physics (ATAP) -avdelningen.

Geddes och Ludewigt arbetade med ett team av forskare från Pacific Northwest, Idaho, och Lawrence Livermore nationella laboratorier, liksom University of Michigan, att genomföra detaljerade simuleringar som visade de förbättrade möjligheterna som de nya teknikerna skulle möjliggöra.

"Befintlig teknik använder vanligtvis så kallade" Bremsstrahlung "-källor för att upptäcka och identifiera kärnämnen, "sa Ludewigt. Den här typen av strålningskälla är inte tätt riktad och levererar en fläktformad spridning över ett brett energiområde av strålning. Dessa egenskaper kan begränsa avbildningskapacitet och kräver högre doser av strålning.

Känd som en "monoenergetisk fotonkälla, "den nya tekniken skulle ha en tätt kollimerad stråle - vilket betyder att dess fotoner skulle resa nästan parallellt med varandra i en smal bana. Dessa fotoner skulle också ha ett smalt och exakt avstämbart energiområde. Dessa egenskaper skulle minska den strålningseffekt som behövs vid skanningar jämfört till annan teknik som används idag. De skulle också minska effekten av oönskade signaler, såsom brus från spridda fotoner, som kan störa upptäckten av kärnämnen.

När du söker efter dolda kärnmaterial, Ludewigt sa, "Du vill inte behöva öppna varje behållare som har något tätt i den." Möjligheten att snabbt skanna stora objekt, såsom lastbehållare, är också nyckeln, som miljontals lastcontainrar häller in i USA varje år.

Skanningsteknikens stråle måste också vara säker för människor som av misstag kan komma i kontakt med den, Geddes tillagd. "Det betyder att vi måste utföra detektering med hög specificitet samtidigt som vi håller dosen låg, så att om någon gömmer sig i lastbehållaren kommer skanningen inte att skada dem, " han sa.

Simuleringar visar, till exempel, att skanning med två separata energiområden skulle göra det möjligt för operatörer att identifiera den allmänna typen av material som finns. Om ett objekt upptäcks i denna inledande skanning som är så tjock eller tät att det kräver en djupare genomträngande skanning för att utforska dess innehåll, sedan genom att ställa in energin på specifika värden kan samma fotonkälla användas för att identifiera om en vara är kärnmaterial.

Med mycket tät kontroll över strålenergin, den nya källan kan också identifiera det exakta elementet - inklusive isotoper av element, som har en annan atomvikt och kan vara viktiga för att mäta kärnkraftssäkerhetshot.

Rapporten noterar också att strålens minskade strålningsdos och ökade specificitet i materialdetektering kan ha en stark inverkan på andra områden som använder högenergifoton, inklusive medicinsk och industriell användning. En sådan källa skulle, till exempel, förbättra icke -destruktiv industriell analys - möjligheten att titta inuti maskiner utan att behöva demonteras.

Medan partikelacceleratorer i byggnadsstorlek länge har kunnat göra exakta, monoenergetiska fotonstrålar, ny teknik kan krympa dessa system, gör dem mer prisvärda och kompakta för att möjliggöra bred användning.

"Istället för att ta med applikationerna till maskinen, vi hoppas kunna ta med maskinen till applikationerna, om det innebär att skanna last, verifiera fördragets efterlevnad, eller många andra användningsområden, "sa Wim Leemans, chef för Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center och Labs ATAP -division.

Berkeley Lab är bland ledarna i det globala arbetet med att utveckla nya, kompakt accelerationsteknik i sitt BELLA Center. BELLA använder lasrar för att generera ett superhot -tillstånd av materia som kallas en plasma, och att generera buntar av elektroner och snabbt accelerera dem till höga energier över ett mycket kort avstånd.

Experiment har redan visat att BELLAs plasmabaserade acceleratorer kan producera de typer av elektronstrålar som behövs för att realisera en kontrollerad högenergifotonstråle som uppfyller kraven som beskrivs i rapporten.

Geddes leder ett separat BELLA Center -projekt för att demonstrera en kompakt monoenergetisk källa. Strålarna skulle genereras genom spridning av en separat laserstråle från elektronen med hög energi från en plasmaccelerator för att producera pulserade fotonstrålar med ett smalt energiområde och kontrollerade vinklar, en process som kallas Thomson -spridning. Den nya rapporten beskriver hur sådana strålar kan förbättra identifieringen och bildkvaliteten hos kärnämnen.

"Vi testar ny teknik som kan minska de enorma skalorna och kostnaderna för nästa generations acceleratorer, gör det möjligt för oss att utforska nya fysikområden, "Sade Leemans. Dessa inkluderar nästa generations hög-energi partikelkolliderare, och frielektronlasrar som producerar världens ljusaste röntgenstrålar. Alla dessa kräver snabbare pulserande hastigheter för lasrarna som driver de nya källorna, och FoU pågår också mot pulsfrekvenser som skulle möjliggöra de tekniker som beskrivs i rapporten.