I ett underjordiskt valv som omges av sex fot betongväggar och nås av en rullande, 25-ton dörr i betong och stål, University of California, Berkeley, studenter får neutroner att dansa till en ny låt:en som är bättre lämpad för att producera isotoper som krävs för geologisk datering, polisens kriminalteknik, sjukhus diagnos och behandling.

Dating och kriminalteknik förlitar sig på en spray av neutroner för att omvandla atomer till radioaktiva isotoper, som förråder den kemiska sammansättningen av ett ämne, hjälper till att spåra en pistol eller avslöja en klippas ålder, till exempel. Sjukhus använder isotoper som produceras genom neutronbestrålning för att döda tumörer eller identifiera sjukdomar som cancer i kroppen.

För dessa applikationer, dock, bara kärnreaktorer kan producera en tillräckligt stark spray av neutroner, och det finns bara två sådana reaktorer väster om Mississippi.

Som ett alternativ, ett team inklusive UC Berkeley -studenter har byggt en neutronkälla på bordsskivan som skulle vara relativt billig att reproducera och så småningom bärbar och också kunna producera ett smalare antal neutronenergier, minimera produktionen av oönskade radioaktiva biprodukter.

"Alla sjukhus i landet kan ha den här saken, de kunde bygga den för några hundra tusen dollar för att göra lokala, mycket kortlivade medicinska isotoper-du kan bara köra dem uppför hissen till patienten, "sa Karl van Bibber, en UC Berkeley professor i kärnteknik som övervakar studenterna som gör enheten perfekt. "Den har tillämpning inom geokronologi, neutronaktiveringsanalys för brottsbekämpande myndigheter - när FBI vill bestämma provets ursprung som bevis, till exempel - neutronradiografi, att leta efter sprickor i flygplansdelar. Detta är mycket kompakt, storleken på en liten varmluftsugn; Jag tycker det är jättebra, vi är glada över detta. "

UC Berkeley-forskare har nu visat att neutrongeneratorn med hög flöde (HFNG) kan producera "boutique" neutroner-neutroner inom ett mycket smalt energiområde-som kan användas för att exakt datera finkorniga stenar som är nästan omöjliga att datera med andra radioisotoptekniker . Studien kommer att publiceras i veckan i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

"Detta kommer att utöka möjligheten att dejta finkorniga material, som lermineraler i samband med malmfyndigheter, inklusive guld, eller lavaströmmar, "sa Paul Renne, en professor vid UC Berkeley vid Institutionen för jord- och planetvetenskap och chef för Berkeley Geochronology Center. "Denna enhet kan också låta oss titta på de mest primitiva föremålen i vårt solsystem-kalcium/aluminiumrika inneslutningar som finns i vissa typer av meteoriter-som också är mycket finkorniga."

Som de rapporterar i den nya tidningen, forskarna använde neutrongeneratorn för att bestämma åldern för finkornig lava från Vesuvius utbrott år 79 e.Kr., som begravde den romerska staden Pompeji. Datumet de beräknade var lika exakt som svaret från en uttömmande studie 1997 med hjälp av toppmodern argon-argondatering av prover bestrålade vid en kärnreaktor.

"Det gör det möjligt att göra saker som annars inte var möjliga, "Sa Renne.

Den långa vägen till desktop fusion

Renne har sökt efter bättre sätt att bestråla bergprover i årtionden och hört talas om en möjlig metod från den avlidne professor i kärnteknik vid UC Berkeley Stanley Prussin, som dog 2015. Tekniken innebär sammansmältning av två deuteriumatomer, som är isotoper av väte, för att producera helium-3 och en neutron. Dessa neutroner har en energi-cirka 2,5 miljoner elektronvolts-som är idealisk för att bestråla stenar för att utföra argon-argondatering, en av de mest exakta metoderna som används idag.

Argon-argon dejting är beroende av det faktum att ungefär en av varje 1, 000 kaliumatomer i berg är den radioaktiva isotopen kalium-40, som förfaller till argon-40 med en halveringstid på mer än en miljard år. Med hjälp av neutroner, forskare omvandlar en del av det stabila kaliumet, kalium-39, till argon-39, mät sedan förhållandet mellan Ar-40 och Ar-39 i provet för att beräkna dess ålder.

Bergprover måste nu bestrålas vid kärnreaktorer, men reaktorer producerar mycket energiska neutroner som kan slå ut argonatomer ur provet - ett särskilt problem för bergarter med mikroskopiska korn - och även producera oönskade radioaktiva element. Båda effekterna gör åldersberäkning svårare.

HFNG undviker båda dessa problem, eftersom neutronerna är en tiondel av energin från de från en kärnreaktor och har ett smalare energiområde, samtidigt som det fortfarande bibehåller ett högt flöde av neutroner.

"Eliminerar rekylfrågan, plus minskning av störande reaktioner, är enorm, "Sade Renne." Men de radiologiska aspekterna förbättras också. "

"Skönheten i den här saken, vi insåg, är att du inte har den här saken som spytter neutroner överallt och skapar en radiologisk fråga, "tillade van Bibber, som är Shankar Sastry ordförande för ledarskap och innovation. "Du har faktiskt ett blygsamt antal neutroner, men genom att få målet nära punktkällan - det som är viktigt - är neutronflödet vid provet mycket högt. "

Den första enheten för att skapa neutroner via deuterium-deuterium (D-D) fusion designades för 10 år sedan av Rennes team, som inkluderade plasmafysikern Ka-Ngo Leung, tidigare från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Men deras prototyp försvann tills van Bibber intresserade sig 2012, strax efter hans utnämning till ordförande för UC Berkeleys avdelning för kärnteknik. För att hysa fusionsgeneratorn, van Bibber tog över ett betongvalv som tidigare användes för experiment som utförts med campusets kärnreaktor, som brukade sitta under det som nu är Soda Hall - fast det sitter i ett stort underjordiskt rum som är en del av källaren i Etcheverry Hall - tills reaktorn stängdes 1987 och togs bort.

Generatorn sysselsätter cirka 100, 000 volt för att accelerera joniserade deuteriumatomer mot en metallkatod av titan. Deuterium ackumuleras på katoden i ett tunt lager som sedan fungerar som ett mål för andra inkommande joner. När deuteroner kolliderar, en neutron produceras i en bred stråle som bestrålar provet som ligger ungefär en tredjedel av en tum bort.

Över åren, van Bibber värvade många studenter, doktorander och postdoktorer för att hjälpa till att göra neutrongeneratorn till verklighet. En av dem, transferstudent Max Wallace, en stigande senior som är intresserad av kärnteknisk forensik, blev förvånad över tillgången till en sådan maskin.

"Det är sällsynt att man kan arbeta med radioisotoper som grundutbildning, "sa den tidigare mjukvaruingenjören." Jag lärde mig att göra så mycket sent på kvällen, bär handskar och skyddsglasögon för att mäta strålningen, ta prover, göra säkerhetskontroller och köra programvaran. Verkligen, Jag skulle lära mig något i min kärnfysikklass och sedan komma hit för att arbeta med en direkt tillämpning av det. "

För Mauricio Ayllon Unzueta, en fjärdeårs doktorand i kärnteknik, den erfarenhet han fick när han hjälpte till att perfektionera neutrongeneratorn ledde direkt till ett nytt projekt på Berkeley Lab:att designa en variant av HFNG som kunde tas in på fältet för att göra neutronaktivering av mark för att mäta kolinnehåll - en viktig information om samhället hoppas att avskilja kol i jord för att mildra klimatförändringarna.

"Genom tre generationer av doktorander, vi vände det från något som knappt fungerade till en högpresterande neutrongenerator, sa van Bibber.

Daniel Rutte, en postdoktor i geologi i UC Berkeley i samarbete med Renne och BGC -labchefen Tim Becker, spelat en avgörande roll i utformningen och genomförandet av det första dejtingsexperimentet, enligt Renne.

"Daniel var bokstavligen nyckelspelaren för att visa att detta skulle fungera för Ar-Ar geokronologi, " han sa.

Ruttes mål är att utveckla nya metoder och instrument för att bättre förstå jordens processer, särskilt deformationen av jordskorpan, som uppstår genom långsam krypning eller snabb bristning som resulterar i jordbävningar.

"För att förstå långsiktig skorpedeformation, Jag daterar gamla rupturer bevarade i rockskivan, "Sade Rutte." Neutrongeneratorn kommer att hjälpa framsteg inom detta område genom att utöka materialutbudet vi kan datera. "

Med pågående studenthjälp, van Bibber och Renne förväntar sig att kunna göra neutrongeneratorn mer kompakt och att producera en mer intensiv spray av neutroner, gör det mer allmänt användbart för geokronologi, såväl som för andra specialiserade användningsområden. Forskare vid UC Berkeleys rymdvetenskapliga laboratorium har redan visat intresse för att använda dessa neutroner för att testa elektronisk hårdvara för att avgöra hur den kommer att överleva i den radioaktiva miljön i rymden. Neutroner med högre energi kan användas för neutronradiografi, som kan komplettera röntgenstrålning vid avbildning av det inre av täta föremål, som metaller.

"Syftet hade hela tiden varit att testa Pauls dröm om vi kunde använda en mycket kompakt, lågspänningsanordning för neutronbestrålning, "van Bibber." Vi har nu visat att vilket universitet som helst kan ha en neutronkälla för att göra argon-argon-dateringstekniken. "