Supersnabba lasrar gör en plasmaplume som kan användas för att bestämma material och deras kemi. Upphovsman:Pacific Northwest National Laboratory
Berg. Fraktbehållare. Marsens yta.
Det finns tillfällen då det är komplicerat eller omöjligt att ta ett prov till ett laboratorium för att testa dess sammansättning.
Detta gäller särskilt när det gäller att upptäcka explosioner som innehåller kärnmaterial. Upptäckt som kan göras snabbt eller på plats minimerar människors exponering under farliga insamlingar eller laboratorieanalyser.
Dock, kärnkemins natur - särskilt oxidation, hur uran interagerar med syre under en kärnkraftsexplosion - är i stort sett okänt, lämnar luckor i vår förmåga att exakt identifiera kärnteknisk verksamhet. Ett team av forskare under ledning av PNNL -fysikern Sivanandan S. Harilal arbetar med att utöka vår förståelse för urankemi med hjälp av ett överraskande verktyg:lasrar.
Metoden, detaljerad i en nyligen publicerad tidning i Journal of Analytical Atomic Spectrometry, visar hur mätning av ljuset som produceras i plasma från en laser kan användas för att förstå uranoxidation i kärnkrafts eldkulor. Denna förmåga ger aldrig tidigare insikt i urangasfasoxidation under kärntekniska explosioner. Dessa insikter utvecklas ytterligare mot en pålitlig, beröringsfri metod för fjärrdetektering av uranelement och isotoper, med konsekvenser för icke -spridningsskydd, explosionsövervakning och fördragskontroll.
Icke -spridningsplasma
Ett pulserande, snabb-som ljusare laser spränger in i ett fast material och exciterar atomerna så att de förångas till en liten, färgglada plommon. Reaktionen när atomerna hoppar in i den här superhotade plasmaplåten avger ljus som forskare kan fånga och studera med hjälp av optisk spektroskopi.
Syrgas effekt på uranlaser producerade plasma. En mer intensiv ljusblixt i samband med uranmonoxid ses när mer syre är närvarande. Dock, med mer syre kvarstår inte plasmarna lika länge. Upphovsman:Pacific Northwest National Laboratory
Plasma som tillverkas av olika element vid olika temperaturer avger olika våglängder av ljus, som alla ger en distinkt färg. Således, plasmafärgen i ett ljusets låga är annorlunda än plasman i ett neonskylt, eller den mikroskopiska plasmaplåten Harilal och hans team genererar för att studera uran.
De distinkta ljusfärgerna från en plasma är desamma oavsett hur mycket av ett material som förvandlas till en plasma. Harilals uranlaserproducerade plasma (LPP) är tillverkat av en så liten mängd kärnmaterial att metoden kan anses vara icke-destruktiv. Ändå, de ljusmätningar forskarna får från LPP liknar reaktionerna i eldklotet som produceras under en kärnkraftsexplosion.
"Det är en fråga om skala, "säger Harilal." Lasrarna skapar samma eldbollskemi som händer i en kärnkraftsexplosion, så vi kan studera kemin och hur den reagerar på olika miljöförhållanden. Den är liten, men ljuset är bra. Vi kan samla det utan problem. "
Ser ljuset i LPP
Även om ljus från plasma är lätt att samla in, skillnaden i ljusets våglängder som specifika molekyler avger är svårare att dechiffrera. Och uran är så reaktivt med syre i explosionens eldboll att det skapar många olika kombinationer av uranoxid. Dessa molekylära kombinationer kan vara var som helst från en uranatom parad med en enda syreatom, till flera uranatomer bundna till så många som åtta syreatomer.
Flera uranarter komplicerar omedelbart hur spektroskopi avkodar enkel ljusinsamling. Dessa uranarter avger ljus i ett så tätt färgspektrum med så små skillnader i våglängder att varje våglängd bara börjar matchas med sin respektive uranoxidövergång.
Forskarna zoomade in på det snäva spektrumet av våglängder med hjälp av smalbandiga filter som teamet tidigare hade utvecklat. Dessa smalbandiga filter fungerar genom att isolera ljuset som avges vid specifika våglängder så att endast de våglängder som är associerade specifika arter samlas in och analyseras.
Platsen för uran och uranoxid under de första 5 till 50 miljoner av en sekund av en laser producerade plasmas livscykel. De grå rektangulära rutorna representerar målpositionen. Upphovsman:Pacific Northwest National Laboratory
Ett filter mätte endast atomuran, och en annan uppmätt uranoxid i plasma under laserpulserna. Teamet mätte sedan ljuset från plasma när de ökade syre i miljön, tittar på för att se hur kemin förändrades i närvaro av mer syre.
Med hjälp av exakt tidsinställda ögonblicksbilder av plasma (kallas snabbbildad bildbehandling), Harilal och hans team observerade direkt hur uranmonoxid och uranatomer rörde sig genom LPP över tid och efter plats. Detta lät dem se hur och var arten bildades och hur de kvarstod när plasmaplåten expanderade och försvann.
Våglängder för icke -spridning
Teamet fann att uranoxider bildas längre från målet, där lägre temperaturer gynnar molekylär rekombination. Uranoxider bildas också vid senare tidpunkter under plasmas livstid. När mer syre är närvarande, plasmarna håller inte lika länge.
Att förstå utvecklingen av uranatomer till uranmonoxid till högre oxider är avgörande för förutsägande modellering av explosionshändelser. Exakt, experimentellt validerade modeller innebär mer effektiv övervakning av nukleär icke -spridning och bättre övergripande förståelse för urankemi.
Förutom att hjälpa forskare att bättre förstå uranplasmakemi, De laserbaserade teknikerna som används i detta arbete är också under utveckling för fält, fjärrövervakning av icke -spridning också. Eftersom laserablation i kombination med optisk emissionsspektroskopi mäter ljus från en plasma, datainsamling kan göras från ett kassaskåp, avstånd som kräver ingen provhantering. Denna teknik har konsekvenser för kärnteknisk kriminalteknik och övervakning av skyddsåtgärder.
